KR100605108B1 - FinFET AND METHOD OF FABRICATING THE SAME - Google Patents
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Abstract
핀 전계효과 트랜지스터 및 그 제조방법을 제공한다. 이 트랜지스터는 기판 상에 수직으로 신장된 핀과 상기 핀을 감싸며 상기 핀의 상부를 가로지르는 게이트 전극을 포함한다. 상기 게이트 전극과 상기 핀 사이에 게이트 절연막이 개재되고, 상기 게이트 전극 양측의 핀 내에 소오스 영역 및 드레인 영역이 각각 형성된다. 상기 게이트 전극 하부에서 상기 핀의 폭이 넓어진다. 즉, 상기 핀은 제 1 핀 폭을 갖는 제 1 영역과 상기 제 1 핀 폭 보다 넓은 제 2 핀 폭을 갖는 제 2 영역으로 구성된 'T'자형 평면을 가질 수 있다. 상기 소오스 영역은 상기 제 1 영역에 형성되고, 상기 드레인 영역은 상기 제 2 영역에 형성된다. 상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역의 경계부(boundary region)은 상기 게이트 전극의 하부에 중첩된다.Provided are a fin field effect transistor and a method of manufacturing the same. The transistor includes a fin extending vertically on a substrate and a gate electrode surrounding the fin and crossing the top of the fin. A gate insulating film is interposed between the gate electrode and the fin, and a source region and a drain region are formed in the fin on both sides of the gate electrode. The width of the fin becomes wider under the gate electrode. That is, the fin may have a 'T' shaped plane composed of a first region having a first fin width and a second region having a second fin width wider than the first fin width. The source region is formed in the first region, and the drain region is formed in the second region. A boundary region of the first region and the second region overlaps a lower portion of the gate electrode.
Description
도 1은 종래기술에 따른 수직 이중 게이트 트랜지스터를 나타낸 사시도이다.1 is a perspective view showing a vertical double gate transistor according to the prior art.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 핀 전계효과 트랜지스터를 나타낸 사시도이다.2 is a perspective view illustrating a fin field effect transistor according to a first embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 핀 전계효과 트랜지스터의 문턱전압을 설명하기 위한 그래프이다.3 is a graph illustrating the threshold voltage of the pin field effect transistor according to the present invention.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 핀 전계효과 트랜지스터로 구성된 디램 셀 어레이의 일부분을 나타낸 평면도이다.4 is a plan view illustrating a portion of a DRAM cell array including a fin field effect transistor according to a first exemplary embodiment of the present invention.
도 5, 6, 7a, 8a, 및 9a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 디램 셀 어레이의 제조방법을 설명하기 위한 평면도들이다.5, 6, 7A, 8A, and 9A are plan views illustrating a method of manufacturing a DRAM cell array according to a first embodiment of the present invention.
도 7b, 7c, 7d, 8b 및 9b는 본 발명의 제 1 실시예 따른 디램 셀 어레이의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.7B, 7C, 7D, 8B, and 9B are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a DRAM cell array according to a first embodiment of the present invention.
도 10a 및 10b는 본 발명의 제 1 실시예의 변형례를 설명하기 위한 평면도들이다.10A and 10B are plan views illustrating a modification of the first embodiment of the present invention.
도 11은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 핀 전계효과 트랜지스터를 나타낸 평면도이다.11 is a plan view illustrating a fin field effect transistor according to a second exemplary embodiment of the present invention.
도 12a 및 도 12b는 각각 도 11의 II-II'를 따라 위치에 따른 도핑 농도와 에너지 밴드를 나타낸 그래프이다.12A and 12B are graphs showing doping concentrations and energy bands according to positions along II-II ′ of FIG. 11, respectively.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 핀 전계효과 트랜지스터의 동작시 에너지 밴드 모형을 나타낸 그래프이다.13A and 13B are graphs illustrating an energy band model in operation of a fin field effect transistor according to a second exemplary embodiment of the present invention.
도 14a 및 도 14b는 각각 본 발명의 제 2 실시예의 변형례를 나타낸 평면도이다.14A and 14B are plan views each showing a modification of the second embodiment of the present invention.
도 15는 본 발명의 제 2 실시예의 변형례를 나타낸 사시도이다.15 is a perspective view showing a modification of the second embodiment of the present invention.
도 16a 내지 도 16d는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 핀 전계효과 트랜지스터의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.16A to 16D are diagrams for describing a method of manufacturing the fin field effect transistor according to the second embodiment of the present invention.
본 발명은 반도체 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로써, 더 구체적으로 수직 채널을 갖는 핀 전계효과 트랜지스터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a fin field effect transistor having a vertical channel and a method of manufacturing the same.
일반적인 구조인 수평채널을 갖는 트랜지스터는 디자인 룰이 줄어듦에 따라 여러가지 문제를 유발하여 트랜지스터의 축소(scale-down)에 한계가 있다. 축소된 수평채널 트랜지스터의 가장 큰 문제점으로 채널의 길이가 짧아져 단채널효과 및 DIBL(Drain Induced Barrier Lower)효과를 들 수 있다. 통상적인 트랜지스터에서 채널의 길이가 50 ㎚ 이하로 축소되면 공정변수에 의해 소자특성의 산포도가 높아지며, 채널길이가 30 ㎚ 이하일 경우 단채널효과 및 DIBL효과가 극심해져 트랜지스 터가 정상적으로 동작하기 어려운 것으로 알려져 있다.Transistors having a horizontal channel, which is a general structure, have various problems as design rules are reduced, thereby limiting the scale-down of transistors. The biggest problem of the reduced horizontal channel transistors is the short channel length and short channel effect and drain induced barrier lower (DIBL) effect. In conventional transistors, when the channel length is reduced to 50 nm or less, the scattering of device characteristics is increased by process variables, and when the channel length is 30 nm or less, the short channel effect and DIBL effect become severe and it is difficult for the transistor to operate normally. Known.
수평채널 트랜지스터의 문제점을 극복하기 위하여 최근 연구되고 있는 소자 중의 하나는 이중 게이트 트랜지스터(Double gate transistor)이다. 이중 게이트 트랜지스터는 30 ㎚ 이하의 두께를 가지는 채널과, 채널을 감싸거나 채널 양측에 게이트가 배치된 구조이다. 종래의 트랜지스터는 게이트 전극이 수평채널의 상부에만 형성됨으로써 채널에는 상하 비대칭적으로 전계가 인가되어, 게이트 전극에 의해 트랜지스터의 온 오프가 효과적으로 제어되지 못한다. 그 결과 채널의 축소로 인한 단채널 효과의 영향이 극심해진다.In order to overcome the problems of horizontal channel transistors, one of the devices that has been studied recently is a double gate transistor. The double gate transistor has a structure having a thickness of 30 nm or less, and a gate surrounding the channel or disposed at both sides of the channel. In the conventional transistor, since the gate electrode is formed only on the upper portion of the horizontal channel, an electric field is applied asymmetrically to the channel, and the on and off of the transistor is not effectively controlled by the gate electrode. As a result, the effect of short channel effects due to the reduction of the channel is severe.
이에 반하여 이중 게이트 트랜지스터는 얇은 채널의 양측에 게이트 전극에 형성되어 있기 때문에 채널의 모든 영역은 게이트 전극의 영향을 받는다. 따라서, 트랜지스터가 오프일 때 소오스 및 드레인 사이의 전하 흐름을 억제할 수 있기 때문에 전력소모를 줄일 수 있고, 트랜지스터의 온.오프를 효과적으로 제어할 수 있다. In contrast, since the double gate transistor is formed at the gate electrodes on both sides of the thin channel, all regions of the channel are affected by the gate electrode. Therefore, since the charge flow between the source and the drain can be suppressed when the transistor is off, power consumption can be reduced, and the on / off of the transistor can be effectively controlled.
다마신 게이트를 이용한 이중 게이트 트랜지스터가 Hussein 등의 미합중국 특허공보 2002/0177263 "수직채널영역을 갖는 다마신 이중 게이트 모스트랜지스터"(U.S. Patent Publication No. US 2002/0177263 "DAMASCENE DOUBLE-GATE MOSFET WITH VERTICAL CHANNEL REGIONIS")에 개시되어 있다.US Patent Publication No. US 2002/0177263 "DAMASCENE DOUBLE-GATE MOSFET WITH VERTICAL CHANNEL", US Pat. REGIONIS ").
도 1은 Hussein의 다마신 이중 게이트 모스 트랜지스터를 나타낸 사시도 이다. 도 1에 따르면, 이 트랜지스터는 절연막(12) 상에 형성된 실리콘층(10)과 상기 실리콘층(10)를 가로질러 배치된 게이트 전극(28)을 포함한다. 상기 게이트 전극(28)과 중첩되어 상기 실리콘층(10) 상에 하드마스크 패턴(18)이 형성되어 있고, 상기 게이트 전극(28)과 상기 실리콘층(10)의 측벽 사이에 게이트 절연막(30)이 개재되어 있다. 상기 게이트 전극(28) 양측의 실리콘층(10) 내에 소오스/드레인 영역(22)가 형성되어 있다.1 is a perspective view illustrating Hussein's damascene double gate MOS transistor. According to FIG. 1, the transistor includes a
앞서 언급한 바와 같이, 수직 채널을 갖는 이중 게이트 모스 트랜지스터는 채널이 형성되는 실리콘층의 폭이 좁기 때문에 채널에 대한 게이트의 제어능력(controllablity)을 높일 수 있다. 일반적으로 실리콘층은 수나노 내지 수십 나노의 폭을 가지기 때문에 그 형상에 따라 핀 전계효과 트랜지스터로 불려지기도 한다. 핀 전계효과 트랜지스터는 상술한 것과 같은 이점을 지니는 반면 일정 핀 폭 이하에서 트랜지스터의 문턱 전압이 급격히 떨어지는 문제점을 지니고 있다. 따라서, 공정 변수에 의한 트랜지스터의 특성변화가 심하여 문턱전압 제어가 용이하지 않고, 고집적 메모리 소자에 적용될 경우 셀 균일도(cell uniformity)가 나빠질 수 있다.As mentioned above, the double gate MOS transistor having a vertical channel can increase the controllability of the gate with respect to the channel because the width of the silicon layer on which the channel is formed is narrow. In general, since the silicon layer has a width of several nanometers to several tens of nanometers, it may be called a fin field effect transistor depending on its shape. The fin field effect transistor has the same advantages as described above, but has a problem in that the threshold voltage of the transistor drops sharply below a certain pin width. Therefore, the threshold voltage is not easily controlled due to a large change in the characteristics of the transistor due to process variables, and cell uniformity may be deteriorated when applied to a highly integrated memory device.
트랜지스터의 문턱 전압이 낮아질 수록 서브 쓰레숄드 누설이 증가할 수 있다. 트랜지스터의 누설 전류는 반도체 소자의 특성을 열화시키는 원인이 된다. 특히, 디램 소자에서 누설 전류는 데이타 유지 특성을 열화시키는데, 커패시터가 접속되는 소오스 영역의 누설 전류를 최소화하는 것이 매우 중요하다. 트랜지스터의 문턱 전압 증가를 위해 채널 농도를 높여주는 방법을 고려할 수 있다. 그러나, 문턱 전압의 증가는 트랜지스터의 턴-온 전류를 감소시키고, 채널 농도의 증가는 정션 누설 증가의 원인이 된다. 따라서, 디램 소자에 적용하는 경우 턴-온 전류 감소 에 따른 기입 마진 감소와, 스토리지 노드 정션 누설 증가로 인한 데이타 유지 특성을 열화를 가져올 수 있다.As the threshold voltage of the transistor decreases, the subthreshold leakage may increase. The leakage current of the transistor causes a deterioration of the characteristics of the semiconductor element. In particular, leakage current in DRAM devices degrades data retention characteristics, and it is very important to minimize leakage current in the source region to which the capacitor is connected. Consider increasing the channel concentration to increase the threshold voltage of the transistor. However, increasing the threshold voltage reduces the turn-on current of the transistor, and increasing the channel concentration causes increased junction leakage. Therefore, when applied to the DRAM device, the write margin may be reduced due to the decrease in turn-on current, and the data retention characteristic may be degraded due to the increase of the storage node junction leakage.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 문턱전압 제어능력이 향상된 핀 전계효과 트랜지스터 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a pin field effect transistor with improved threshold voltage control capability and a method of manufacturing the same.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 소오스 영역의 누설 전류 발생을 억제할 수 있는 구조를 갖는 핀 전계효과 트랜지스터 및 그 제조방법을 제공하는데 있다. Another object of the present invention is to provide a fin field effect transistor having a structure capable of suppressing leakage current generation in a source region and a method of manufacturing the same.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 턴-온 전류는 높으면서, 서브 쓰레숄드 누설 및 정션 누설이 억제된 핀 전계효과 트랜지스터 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a pin field effect transistor having a high turn-on current and suppressed sub-threshold leakage and junction leakage, and a method of manufacturing the same.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 소오스 영역 및 드레인 영역의 폭이 다른 핀 전계효과 트랜지스터를 제공한다. 이 트랜지스터는 기판 상에 수직으로 신장된 핀과 상기 핀을 감싸며 상기 핀의 상부를 가로지르는 게이트 전극을 포함한다. 상기 게이트 전극과 상기 핀 사이에 게이트 절연막이 개재되고, 상기 게이트 전극 양측의 핀 내에 소오스 영역 및 드레인 영역이 각각 형성된다. 상기 게이트 전극 하부에서 상기 핀의 폭이 넓어진다. 즉, 상기 핀은 제 1 핀 폭을 갖는 제 1 영역과 상기 제 1 핀 폭 보다 넓은 제 2 핀 폭을 갖는 제 2 영역으로 구성된 'T'자형 평면을 가질 수 있다. 상기 소오스 영역은 상기 제 1 영역에 형성되고, 상 기 드레인 영역은 상기 제 2 영역에 형성된다. 상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역의 경계부(boundary region)은 상기 게이트 전극의 하부에 중첩된다.In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a fin field effect transistor having different widths of a source region and a drain region. The transistor includes a fin extending vertically on a substrate and a gate electrode surrounding the fin and crossing the top of the fin. A gate insulating film is interposed between the gate electrode and the fin, and a source region and a drain region are formed in the fin on both sides of the gate electrode. The width of the fin becomes wider under the gate electrode. That is, the fin may have a 'T' shaped plane composed of a first region having a first fin width and a second region having a second fin width wider than the first fin width. The source region is formed in the first region, and the drain region is formed in the second region. A boundary region of the first region and the second region overlaps a lower portion of the gate electrode.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 핀 전계효과 트랜지스터는 기판 상에 수직으로 신장된 핀과, 상기 핀을 감싸며 상기 핀의 상부를 가로지르는 게이트 전극과, 상기 게이트 전극과 상기 핀 사이에 개재된 게이트 절연막과, 상기 게이트 전극 양측의 핀 내에 각각 형성된 소오스 영역 및 드레인 영역과, 상기 소오스 영역과 상기 드레인 영역 사이의 핀에 형성된 채널 영역을 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 상기 드레인 영역의 핀 폭은 상기 소오스 영역의 핀 폭보다 넓고, 상기 드레인 영역에 인접한 채널 영역의 불순물 농도는 상기 소오스 영역에 인접한 채널 영역의 불순물 농도보다 높다.According to an embodiment of the present invention, a fin field effect transistor includes a fin vertically extended on a substrate, a gate electrode surrounding the fin and crossing the upper portion of the fin, and a gate interposed between the gate electrode and the fin. And an insulating layer, a source region and a drain region respectively formed in the fins on both sides of the gate electrode, and a channel region formed in the fin between the source region and the drain region. In this embodiment, the fin width of the drain region is wider than the fin width of the source region, and the impurity concentration of the channel region adjacent to the drain region is higher than the impurity concentration of the channel region adjacent to the source region.
본 발명에 따른 핀 전계효과 트랜지스터는 디램 소자의 셀 트랜지스터 형성에 적용될 수 있다. 구체적으로 이 소자는 기판 상에 수직으로 신장된 핀과, 상기 핀을 감싸며 상기 핀의 상부를 가로지르는 게이트 전극 쌍(gate electrodes pair)을 포함한다. 상기 게이트 전극들과 상기 핀 사이에 게이트 절연막이 개재된다. 상기 게이트 전극들 사이의 핀에 공통 드레인 영역이 형성되고, 상기 게이트 전극 쌍 양측의 핀에 각각 소오스 영역이 형성된다. 상기 각 게이트 전극 하부에서 상기 핀의 폭이 넓어진다. 즉, 상기 핀은 제 1 핀 폭을 가지는 한쌍의 제 1 영역과 상기 제1 영역 사이에 위치하고 상기 제 1 핀 폭 보다 넓은 제 2 핀폭을 갖는 제 2 영역으로 구성될 수 있다. 상기 소오스 영역은 상기 제 1 영역에 형성되고, 상기 공통 드레인 영역은 상기 제 2 영역에 형성된다. 상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역의 경 계부(boundary region)는 상기 게이트 전극과 중첩된다.The fin field effect transistor according to the present invention can be applied to cell transistor formation of DRAM devices. Specifically, the device comprises a pin extending vertically on a substrate, and a gate electrode pair surrounding the pin and crossing the top of the pin. A gate insulating film is interposed between the gate electrodes and the fin. Common drain regions are formed in the fins between the gate electrodes, and source regions are formed in the fins on both sides of the gate electrode pair. The width of the fin becomes wider under each gate electrode. That is, the fin may be composed of a pair of first regions having a first fin width and a second region having a second fin width located between the first region and wider than the first fin width. The source region is formed in the first region, and the common drain region is formed in the second region. A boundary region of the first region and the second region overlaps the gate electrode.
또다른 실시예에 따르면, 디램 소자의 셀 트랜지스터는 기판 상에 수직으로 신장된 핀과, 상기 핀을 감싸며 상기 핀의 상부를 가로지르는 게이트 전극 쌍(gate electrodes pair)과 상기 게이트 전극들과 상기 핀 사이에 개재된 게이트 절연막과, 상기 게이트 전극들 사이의 핀에 형성된 공통 드레인 영역과, 상기 게이트 전극 쌍 양측의 핀에 각각 형성된 소오스 영역과, 상기 공통 드레인 영역과 상기 소오스 영역들 사이의 핀에 각각 형성된 채널 영역을 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 상기 공통 드레인 영역의 핀 폭은 상기 소오스 영역의 핀 폭보다 넓고, 상기 공통 드레인 영역에 인접한 채널 영역의 불순물 농도는 상기 소오스 영역에 인접한 채널 영역의 불순물 농도보다 높다.According to another embodiment, a cell transistor of a DRAM device may include a pin extending vertically on a substrate, a gate electrode pair surrounding the pin and crossing the upper portion of the fin, the gate electrodes and the fin. A gate insulating layer interposed therebetween, a common drain region formed in the fin between the gate electrodes, a source region formed in each of the fins on both sides of the gate electrode pair, and a fin between the common drain region and the source region, respectively. The channel region may be formed. In this embodiment, the fin width of the common drain region is wider than the fin width of the source region, and the impurity concentration of the channel region adjacent to the common drain region is higher than the impurity concentration of the channel region adjacent to the source region.
상기 기술적 과제들을 달성하기 위하여 본 발명은 핀 전계효과 트랜지스터의 제조 방법을 제공한다. 이 방법은 기판 상에 수직으로 신장되고, 제 1 핀 폭을 가지는 제 1 영역과 상기 제 1 핀 폭 보다 넓은 제 2 핀 폭을 가지는 제 2 영역을 포함하는 핀을 형성하는 것을 포함한다. 적어도 상기 핀의 측벽들에 게이트 절연막을 콘포말하게 형성한다. 상기 게이트 절연막 상에 상기 핀의 상부를 가로지르며 상기 핀을 감싸는 게이트 전극을 형성한다. 상기 게이트 전극은 상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역의 경계부 상부에 중첩되도록 형성한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a method for manufacturing a fin field effect transistor. The method includes forming a fin vertically extending on a substrate, the fin including a first region having a first fin width and a second region having a second fin width wider than the first fin width. Conformally forming a gate insulating film on at least sidewalls of the fin. A gate electrode is formed on the gate insulating layer to cross the upper portion of the fin and surround the fin. The gate electrode is formed to overlap an upper portion of a boundary between the first region and the second region.
상기 핀은 점진적으로 폭이 증가하거나 또는 감소하는 형상으로 제 1 영역과 제 2 영역을 가질 수도 있다. 상기 게이트 전극 일측의 핀 내에 제 1 도전형 불순물을 주입하고, 상기 게이트 전극을 이온주입 마스크로 사용하여 상기 핀 내에 제 2 도전형 불순물을 주입하여 상기 게이트 전극 하부에 채널 영역을 한정하는 소오스 영역 및 드레인 영역을 형성함과 동시에, 상기 드레인 영역에 인접한 채널 영역에 제 1 도전형 확산층을 형성할 수도 있다. 상기 제 1 도전형 불순물의 측방향 확산거리를 상기 제 2 도전형 불순물의 측방향 확산거리보다 넓게함으로써 상기 채널 영역에 제 1 도전형 확산층이 형성될 수 있다.The pin may have a first region and a second region in a shape that gradually increases or decreases in width. A source region defining a channel region under the gate electrode by implanting a first conductivity type impurity into the fin on one side of the gate electrode and implanting a second conductivity type impurity into the fin using the gate electrode as an ion implantation mask; In addition to forming a drain region, a first conductivity type diffusion layer may be formed in a channel region adjacent to the drain region. The first conductivity type diffusion layer may be formed in the channel region by extending the lateral diffusion distance of the first conductivity type impurity than the lateral diffusion distance of the second conductivity type impurity.
상기 핀은 사진식각공정에 의해 폭이 다른 영역을 가지도록 형성할 수 있으나, 부분 열산화에 의해 폭이 다른 영역을 가지도록 형성할 수도 있다. 구체적으로, 반도체 기판을 패터닝하여 제 2 핀 폭을 가지는 수직으로 신장된 핀을 형성하고, 상기 핀의 일부분을 덮는 마스크 패턴을 형성한다. 상기 마스크 패턴을 산화방지막으로 사용하여 상기 핀의 측벽을 산화시킨다. 상기 측벽 산화에 의해 상기 핀의 측벽에 희생산화막이 형성된다. 상기 희생산화막을 제거하여 제 1 핀 폭을 가지는 제 1 영역을 형성하고, 상기 마스크 패턴을 제거하여 상기 제 2 핀 폭을 가지는 제 2 영역을 노출시킨다.The fins may be formed to have different widths by a photolithography process, but may be formed to have different widths by partial thermal oxidation. Specifically, the semiconductor substrate is patterned to form vertically elongated fins having a second fin width, and a mask pattern covering a portion of the fins is formed. The sidewall of the fin is oxidized by using the mask pattern as an anti-oxidation film. The sacrificial oxide film is formed on the sidewall of the fin by the sidewall oxidation. The sacrificial oxide film is removed to form a first region having a first fin width, and the mask pattern is removed to expose a second region having the second fin width.
본 발명에 따른 핀 전계효과 트랜지스터는 SOI기판에 형성될 수도 있다. 즉, 상기 핀은 절연막 상의 반도체층을 패터닝하여 형성할 수 있다. 벌크 실리콘 기판에 형성되는 경우 상기 핀은 기판을 패터닝하여 형성하되, 상기 핀을 형성한 후 상기 반도체 기판에 소자분리막을 형성하여 상기 핀리 격리할 수 있을 것이다.The fin field effect transistor according to the present invention may be formed on an SOI substrate. That is, the fin may be formed by patterning a semiconductor layer on the insulating film. When the fin is formed on a bulk silicon substrate, the fin may be formed by patterning the substrate, and after forming the fin, an isolation layer may be formed on the semiconductor substrate to isolate the fin.
이하 본발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태 로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 또한, 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.However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided to ensure that the disclosed subject matter is thorough and complete, and that the scope of the invention to those skilled in the art will fully convey. In the drawings, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity. In addition, where a layer is said to be "on" another layer or substrate, it may be formed directly on the other layer or substrate, or a third layer may be interposed therebetween.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 핀 전계효과 트랜지스터를 나타낸 사시도이다.2 is a perspective view illustrating a fin field effect transistor according to a first embodiment of the present invention.
이 트랜지스터는 수직으로 신장된 핀(200)을 가진다. 상기 핀(200)은 제 1 핀 폭(W1)을 가지는 제 1 영역과 제 1 핀 폭(W1)보다 넓은 제 2 핀 폭(W2)을 가지는 제 2 영역으로 구성된다. 상기 핀(200)을 감싸며 게이트 전극(210)이 상기 핀(200)의 상부를 가로지른다. 상기 게이트 전극(210)과 상기 핀(200) 사이에 게이트 절연막(208)이 개재된다. 상기 게이트 전극(210) 양측의 핀에 각각 소오스 영역(202s)과 드레인 영역(202d)이 형성된다. 상기 소오스 영역(202s)은 폭이 좁은 제 1 영역에 형성되고, 상기 드레인 영역(202d)은 폭이 넓은 제 2 영역에 형성된다.This transistor has a
상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역의 경계부(boundary region)은 상기 게이트 전극(210)과 중첩된다. 상기 게이트 전극(210)과 중첩된 부분, 즉, 상기 소오스 영역(202s)과 상기 드레인 영역(202d) 사이의 영역은 트랜지스터의 채널영역에 해당한다. 따라서, 상기 채널 영역 또한 제 1 영역과 제 2 영역 걸쳐 형성된다.A boundary region of the first region and the second region overlaps the
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 핀 전계효과 트랜지스터의 문턱전압을 설명하기 위한 그래프이다. 그래프에서 가로축은 핀의 폭을 나타내고 세로축은 문턱 전압을 나타낸다. 도시된 것과 같이 핀의 폭이 일정 폭 이하로 낮아지면 문턱 전압이 급격하게 낮아진다. 예컨대, 핀의 폭이 W1 일 때 문턱 전압 Vth1은 변화율(ΔVth/ΔW)이 높은 구간에 위치하게 된다. 이 구간에서는 공정의 불안정으로 핀의 폭이 조금만 변하여도 문턱 전압은 크게 변동된다. 반면에 핀의 폭이 W2일 때 문턱전압 Vth2는 문턱 전압의 변화율이 낮은 구간에 위치하게 된다. 이 구간에서는 공정의 불안정으로 핀의 폭이 변하더라도 문턱 전압의 변동은 거의 없다. 따라서, 핀 전계효과 트랜지스터는 일정 폭 이상의 핀 폭을 가지는 것이 바람직하다.3 is a graph illustrating the threshold voltage of the fin field effect transistor according to the first embodiment of the present invention. In the graph, the horizontal axis represents the width of the pin and the vertical axis represents the threshold voltage. As shown, when the width of the pin is lowered below a certain width, the threshold voltage is drastically lowered. For example, when the width of the pin is W1, the threshold voltage Vth1 is located in a section where the rate of change ΔVth / ΔW is high. In this section, even if the width of the pin changes slightly due to instability of the process, the threshold voltage fluctuates greatly. On the other hand, when the width of the pin is W2, the threshold voltage Vth2 is located in a section where the threshold voltage change rate is low. In this section, even if the width of the pin changes due to instability of the process, there is little variation in the threshold voltage. Therefore, the fin field effect transistor preferably has a fin width of a predetermined width or more.
이러한 측면에서 본 발명의 따른 핀 전계효과 트랜지스터는 핀의 폭이 좁은 부분과 핀의 폭이 넓은 영역을 포함하는 구조, 즉 서로 다른 문턱 전압을 가지는 두개의 채널 영역이 직렬로 연결된 구조를 가진다. 핀의 폭이 좁은 부분에 소오스 영역을 형성하여 소오스 접합 누설 전류를 낮출 수 있고 소프트 에러의 발생을 억제할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면 소오스 측의 핀 폭을 증가시키지 않으면서도 공정의 불안정으로 인한 문턱전압의 변화율이 낮출 수 있다. 이 트랜지스터는 소오스 접합 누설 전류가 낮고 소프트 에러의 발생이 억제되기 때문에 디램 소자에 유용하게 적용될 수도 있을 것이다.핀 전계효과 트랜지스터는 게이트와 중첩된 핀 내부가 완전공핍되어 동작한다. 그 결과, 일반적인 평판 트랜지스터에 비해 현저히 높은 전류 구동 능력(current driving efficiency)을 가진다. 따라서, 소오스 측의 핀 폭이 좁고 드레인 측의 핀 폭을 넓은 구조는 드레인 전류량을 높이기 위한 효과가 있을 수는 있으나, 핀 전계효과 트랜지스터의 특성상 드레인 전류가 높기 때문 에 드레인 전류 증가 효과는 기대하지 않아도 될 것이다.In this aspect, the fin field effect transistor according to the present invention has a structure including a narrow portion of the fin and a wide region of the fin, that is, a structure in which two channel regions having different threshold voltages are connected in series. By forming a source region in the narrow portion of the fin, the source junction leakage current can be lowered and the occurrence of soft error can be suppressed. Therefore, according to the present invention, the rate of change of the threshold voltage due to instability of the process can be lowered without increasing the pin width of the source side. The transistors could be useful in DRAM devices because of low source junction leakage currents and the suppression of soft errors. Pin-field transistors operate by completely depleting the gate and the overlapping fins. As a result, it has a significantly higher current driving efficiency than a general flat plate transistor. Therefore, a narrow fin width on the source side and a wide fin width on the drain side may have an effect to increase the drain current amount, but the drain current increase effect is not expected because the fin current effect transistor has a high drain current. Will be.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 핀 전계효과 트랜지스터로 구성된 디램 셀 어레이의 일부분을 나타낸 평면도이다.4 is a plan view illustrating a portion of a DRAM cell array including a fin field effect transistor according to a first exemplary embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 디램 셀 어레이는 통상의 디램 셀 어레이의 활성영역이 핀으로 대체된 구조이다. 구체적으로, 기판 상에 복수개의 핀(112)을 형성한다. 상기 기판은 SOI기판이거나 벌크 반도체 기판일 수 있다. SOI기판인 경우 상기 핀은 절연막 상에 위치하고, 벌크 반도체 기판인 경우 반도체 기판이 식각되어 형성될 수 있다. 상기 핀(112)은 제 1 핀 폭을 가지는 제 1 영역(112a)과 제 2 핀폭을 가지는 제 2 영역(112b)으로 구성된다. 핀의 양측에 제 1 영역(112a)이 위치하고, 상기 제 1 영역들(112a) 사이에 제 2 영역(112b)이 위치한다. 각 핀(112)의 상부를 게이트 전극 쌍(gate electrodes pair;110p)이 가로지른다. 각 게이트 전극(110)은 상기 제 1 영역(112a)과 상기 제 2 영역(112b)의 경계부의 상부에 중첩된다. 상기 게이트 전극 쌍(110p)의 양측의 핀에 각각 소오스 영역(112s)이 형성되고, 상기 게이트 전극들(110) 사이의 핀에 공통 드레인 영역(112d)이 형성된다. 도시하지는 않았지만, 상기 소오스 영역(112s)에 각각 커패시터가 접속되고, 상기 공통 드레인 영역(112d)에 비트라인이 접속된다.Referring to FIG. 4, the DRAM cell array according to the present invention has a structure in which an active region of a conventional DRAM cell array is replaced with a fin. Specifically, the plurality of
본 발명에 따르면 트랜지스터의 채널은 서로 다른 문턱 전압을 가지는 두개의 채널로 구성된다. 또한, 소오스 영역은 폭이 좁은 영역에 형성되고 드레인 영역은 상대적으로 폭이 넓은 영역에 형성된다. 따라서, 소오스 접합 누설 전류를 낮출 수 있고 소프트 에러의 발생을 억제할 수 있다. 그러나, 핀의 폭이 게이트 전극 하 부에서 확장되기 때문에 문턱 전압을 높여 문턱 전압의 제어 능력을 향상시킬 수 있으며 드레인 전류량의 저하를 방지할 수 있다.According to the present invention, a channel of a transistor is composed of two channels having different threshold voltages. In addition, the source region is formed in a narrow region and the drain region is formed in a relatively wide region. Therefore, the source junction leakage current can be lowered and the occurrence of soft errors can be suppressed. However, since the width of the fin extends under the gate electrode, the threshold voltage can be increased to improve the controllability of the threshold voltage and to prevent a decrease in the amount of drain current.
본 발명에 따른 핀 전계효과 트랜지스터는 통상적으로 알려진 공정을 이용하여 제조할 수 있다. 즉, SOI기판 또는 벌크 실리콘 기판에 형성할 수도 있고, 통상의 게이트 공정 또는 다마신 게이트 공정을 적용하여 형성할 수도 있다.The fin field effect transistor according to the present invention can be manufactured using a commonly known process. That is, it may be formed on an SOI substrate or a bulk silicon substrate, or may be formed by applying a conventional gate process or a damascene gate process.
도 5, 6, 7a, 8a, 및 9a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 디램 셀 어레이의 제조방법을 설명하기 위한 평면도들이다.5, 6, 7A, 8A, and 9A are plan views illustrating a method of manufacturing a DRAM cell array according to a first embodiment of the present invention.
도 7b, 7c, 7d, 8b 및 9b는 본 발명의 제 1 실시예 따른 디램 셀 어레이의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.7B, 7C, 7D, 8B, and 9B are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a DRAM cell array according to a first embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 기판상에 복수개의 핀(52)을 형성한다. 상기 기판은 SOI기판일 수도 있고, 반도체 벌크 기판일 수도 있다. SOI기판에서 상기 핀(52)은 절연막 상에 형성되고, 반도체 벌크 기판에서 상기 핀(52)은 상기 기판과 연결되어 수직으로 신장되어 형성될 수도 있다. SOI기판과 반도체 벌크 기판의 반도체 층은 실리콘, 게르마늄, 실리콘 게르마늄 및 그레이디드 실리콘게르마늄 중 선택된 하나 또는 이들이 적층된 것일 수 있다.Referring to FIG. 5, a plurality of
도 6을 참조하면, 상기 기판 상에 상기 핀들의 중앙 상부를 가로지르는 마스크 패턴(53)을 형성한다. 상기 마스크 패턴(53)을 산화방지막으로 사용하여 상기 핀(52)을 열산화시키어 각 핀들(52)의 측벽에 희생 산화막(54)을 형성한다. 열 산화에 의해 핀의 반도체층이 소모되면서 핀의 폭이 리세스되고 표면에는 열산화막이 형성된다. 그 결과, 상기 핀(52)의 양측에는 제 1 핀 폭을 가지는 제 1 영역(52a) 이 형성되고, 상기 제 1 영역들(52a) 사이에 초기 핀 폭인 제 2 핀 폭을 가지는 제 2 영역(52b)이 형성된다.Referring to FIG. 6, a
도 7a를 참조하면, 상기 마스크 패턴(53) 및 상기 희생 산화막(54)을 제거한다. 그 결과, 희생산화막이 제거된 핀의 양측에는 제 1 핀 폭을 가지는 제 1 영역(52a)이 형성되고, 상기 제 1 영역들(52a) 사이에 초기 핀 폭인 제 2 핀 폭을 가지는 제 2 영역(52b)이 형성된다.Referring to FIG. 7A, the
도 7b는 SOI기판에 형성된 핀의 단면도를 도시한 것인데, 지지기판(50) 상의 매몰 절연막(51) 상에 수직으로 신장된 핀(52)이 위치한다. 이에 비하여 도 7c를 참조하면 벌크 기판에 형성된 핀(52)은 기판과 연결되어 수직으로 신장되어 있다.FIG. 7B illustrates a cross-sectional view of the fin formed on the SOI substrate, in which the
SOI기판에 형성되는 경우 핀은 절연막(51) 상에서 서로 격리되어 위치하지만, 벌크 기판에서 핀은 기판에 의해 서로 연결되어 있다. 따라서, 벌크 기판을 이용하여 핀 전계효과 트랜지스터를 형성하는 경우, 도 7d에 도시된 것과 같이 핀과 핀 사이에 소자분리막(55)을 더 형성하여 핀들을 격리시킬 수 있다. 이후 도시하지는 않았지만, 통상적인 게이트 공정 또는 다마신 게이트 공정을 적용하여 상기 핀들의 상부를 가로지르는 게이트 전극을 형성할 수 있다.When formed on the SOI substrate, the fins are separated from each other on the insulating
벌크 기판에 형성된 핀들을 격리시키는 또다른 방법을 설명하도록 한다.Another method of isolating the fins formed on the bulk substrate is described.
도 8a 및 8b를 참조하면, 제 1 영역 및 제 2 영역을 갖는 핀을 형성한 후, 상기 핀(52)이 형성된 기판의 전면에 라이너막(56)을 콘포말하게 형성한다. 상기 라이너막(56)은 상기 핀(52)에 대하여 식각선택성을 가지는 막으로 형성할 수 있다. 예컨대, 상기 라이너막(56)은 실리콘 질화막으로 형성할 수도 있다. 계속해서 상기 라이너막(56)이 형성된 기판의 전면에 절연막(58)을 형성한다. 상기 절연막(58)은 상기 라이너막(56) 및 상기 기판에 대해 식각선택성을 가지는 막으로써, 예컨대, PECVD막, HDPCVD막 또는 O3-TEOS 등 매립성(gap-fill efficiency)가 우수한 산화막으로 형성할 수 있다.8A and 8B, after forming the fin having the first region and the second region, the
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 상기 절연막(58)을 리세스시키어 상기 라이너막(56)을 노출시킨다. 상기 노출된 라이너막(56)을 리세스 시키어 상기 핀(52)의 측벽 일부분을 노출시킨다. 기판 상에 수직으로 신장된 핀들(52) 사이의 영역에 리세스된 절연막(58) 및 라이너막(56)으로 이루어진 소자분리막이 형성되어 각 핀들을 격리시킨다. 상기 핀(52)에 불순물을 주입하여 채널확산층을 형성할 수 있다. 상기 불순물 주입은 경사이온주입 방법에 의해서 주입할 수도 있다. 상기 채널확산층은 붕소 또는 불화붕소를 1011 atoms/㎠ 내지 1014 atoms/㎠ 의 도즈량으로 주입하여 1015 atoms/㎤ 내지 1019 atoms/㎤ 농도로 형성할 수 있다. 상기 핀의 노출된 부분 아래에 주사깊이(Rp;projection range)를 맞추어 상기 핀에 수직으로 불순물을 더 주입할 수 있다. 그 결과, 상기 채널확산층으로부터 확산된 불순물들과 수직으로 주입된 불순물이 중첩됨으로써 농도가 높은 펀치쓰루 방지 확산층이 더 형성할 수도 있다. 상기 펀치쓰루 방지 확산층은 게이트에 의해 제어되기 어려운 채널 확산층 하부를 통한 펀치쓰루의 발생을 방지한다.9A and 9B, the insulating
상기 채널확산층 및 상기 펀치쓰루 방지 확산층은 도 5의 핀이 형성된 이후 형성할 수도 있고, 핀의 측벽 일부분이 리세스되고 소자분리막이 형성된 도 7d에 도시된 단계에서 형성할 수도 있다. SOI기판에서 핀이 형성되는 경우에는 하부의 절연막에 의해 펀치쓰루 발생이 방지되기 때문에 펀치쓰루 방지 확산층은 형성하지 않아도 될 것이다.The channel diffusion layer and the punch-through prevention diffusion layer may be formed after the fin of FIG. 5 is formed, or may be formed in the step shown in FIG. 7D where a portion of the sidewall of the fin is recessed and an isolation layer is formed. In the case where the fin is formed in the SOI substrate, punch through generation is prevented by the lower insulating film, so that the punch through prevention diffusion layer may not be formed.
계속해서, 도 9a 및 9b를 참조하면, 상기 노출된 핀(52)의 측벽에 게이트 절연막을 형성한다. 상기 게이트 절연막(59)은 금속산화막, 실리콘 산화막 또는 실리콘옥시 나이트라이드막으로 형성할 수도 있고, 열산화방식 또는 CVD 방식으로 형성할 수 있다. 상기 게이트 절연막(59)이 형성된 기판의 전면에 도전막을 형성하고 상기 도전막을 패터닝하여 상기 핀(52)의 상부를 가로지르는 게이트 전극(60)을 형성한다. 도시 된 것과 같이 상기 핀들 사이에 소자분리막이 위치하기 때문에 갭 영역의 폭이 도 7d에 비하여 좁다. 따라서, 상기 도전막은 상부면이 평탄하게 형성될 수 있다. 상기 게이트 전극은 다마신 공정을 적용하여 형성할 수도 있다. 즉, 상기 핀의 전면을 덮는 주형막을 형성하고 상기 주형막을 패터닝하여 상기 핀을 노출시키는 오프닝을 형성하고, 노출된 핀의 표면에 게이트 절연막을 형성한 후 상기 오프닝 내에 도전막을 채워 게이트 전극을 형성할 수도 있다.9A and 9B, a gate insulating film is formed on sidewalls of the exposed
상기 게이트 전극(60)은 상기 핀의 제 1 영역(52a) 및 제 2 영역(52b)의 경계부 상부에 중첩되도록 형성한다. 상기 게이트 전극(60)을 이온주입 마스크로 사용하여 상기 핀(52) 내에 불순물을 주입하여 소오스 영역(62s) 및 드레인 영역(62d)을 형성한다.The
도 10a 및 10b는 제 1 실시예의 변형례를 설명하기 위한 평면도들이다.10A and 10B are plan views for explaining a modification of the first embodiment.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 게이트 전극(110)의 폭이 동일하더라도 상기 게이트 전극(110)과 상기 핀(100)의 중첩 형태에 따라 문턱전압을 조절할 수 있다. 즉, 상기 게이트 전극(110)이 제 2 영역(112b)에 비해 제 1 영역(112a)에 보다 더 중첩되는 경우 트랜지스터의 문턱 전압은 낮아질 것이고, 상기 제 1 영역(112a)에 비해 상기 제 2 영역(112b)에 보다 더 중첩되는 경우 트랜지스터의 문턱 전압은 높아질 것이다.10A and 10B, even if the widths of the
도 11은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 핀 전계효과 트랜지스터를 나타낸 평면도이다.11 is a plan view illustrating a fin field effect transistor according to a second exemplary embodiment of the present invention.
이 트랜지스터는 도 2에 보여지는 제 1 실시예와 마찬가지로, 수직으로 신장된 핀(200)을 가진다. 상기 핀(200)은 제 1 핀 폭을 가지는 제 1 영역과 제 1 핀 폭보다 넓은 제 2 핀 폭을 가지는 제 2 영역으로 구성된다. 상기 핀(200)을 감싸며 게이트 전극(210)이 상기 핀(200)의 상부를 가로지른다. 상기 게이트 전극(210)과 상기 핀(200) 사이에 게이트 절연막(208)이 개재된다. 상기 게이트 전극(210) 양측의 핀에 각각 소오스 영역(202s)과 드레인 영역(202d)이 형성된다. 상기 소오스 영역(202s)은 폭이 좁은 제 1 영역에 형성되고, 상기 드레인 영역(202d)은 폭이 넓은 제 2 영역에 형성된다. 상기 게이트 전극(210)과 중첩된 부분, 즉, 상기 소오스 영역(202s)과 상기 드레인 영역(202d) 사이의 핀에 트랜지스터의 채널영역(201)이 한정된다. 따라서, 상기 채널 영역(201) 또한 제 1 영역과 제 2 영역 걸쳐 형성된다. 상기 드레인 영역(202d)에 인접한 채널 영역은 다른 채널 영역(201)보다 도우핑 농도가 높은 불순물 확산층(204)이 형성된다. 상기 불순물 확산층(204)은 상기 소오스 영역(202s) 및 상기 드레인 영역(202d)과 다른 도전형을 가진다.This transistor has a vertically stretched
도 12a 및 도 12b는 각각 도 11의 II-II'를 따라 위치에 따른 도핑 농도와 에너지 밴드를 나타낸 그래프이다.12A and 12B are graphs showing doping concentrations and energy bands according to positions along II-II ′ of FIG. 11, respectively.
도면에서 영역 ①은 소오스 영역, 영역 ②는 채널 영역, 영역 ③은 드레인 영역에 인접한 채널 영역, 영역 ④는 드레인 영역을 나타낸다.In the figure,
본 발명에 따른 핀 전계효과 트랜지스터는 도시된 것과 같이, 소오스 영역(①)과 드레인 영역(④)의 도우핑 농도는 높고, 채널 영역(②)의 도우핑 농도는 상대적으로 매우 낮다. 디램 셀 트랜지스터에 적용되는 경우, 상기 채널 영역(②)은 일반적인 p웰 농도 또는 p 기판 농도를 가질 수 있고, 상기 드레인 영역에 인접한 채널 영역(③)에는 상기 p웰 또는 p 기판에 붕소 또는 불화붕소 등의 p형 불순물이 추가로 주입되어 더 높은 농도로 도우핑되어 있다. 상기 소오스 영역(①)과 드레인 영역(④)은 인(P) 또는 비소(As) 등의 n형 불순물로 도우핑된다.In the fin field effect transistor according to the present invention, as shown, the doping concentration of the
도 12b에 도시된 것과 같이, 상기 드레인 영역에 인접한 채널 영역(③)의 불순물 농도가 상기 소오스 영역에 인접한 채널 영역(②)보다 높기 때문에 포텐셜 장벽(φd)이 채널 영역과 드레인 영역 사이에 형성된다. 이 포텐셜 장벽(φd)은 본 발명의 핀 전계효과 트랜지스터에 매우 유용한 특성을 제공한다.As shown in FIG. 12B, a potential barrier φ d is formed between the channel region and the drain region because the impurity concentration of the
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 핀 전계효과 트랜지스터의 동작시 에너지 밴드 모형을 나타낸 그래프이다.13A and 13B are graphs illustrating an energy band model in operation of a fin field effect transistor according to a second exemplary embodiment of the present invention.
도 13a는 상기 소오스 영역(202s)에 스토리지 커패시터가 연결되고 상기 드레인 영역(202d)에 비트라인이 연결되는 메모리 셀에서 스토리지 커패시터에 전하 가 저장된 상태를 나타낸다. 이 때, 상기 불순물 확산층(204)는 상기 드레인 영역(202d)에 인접한 채널 영역(③)에 포텐셜 장벽(φd)을 형성한다. 따라서, 트랜지스터 오프 상태에서 상기 포텐셜 장벽(φd)은 상기 드레인 영역(④)으로 부터 유입되는 전자의 흐름을 억제하여 트랜지스터 오프 누설(transistor off leakage)를 줄이는 역할을 한다.FIG. 13A illustrates a state where charge is stored in a storage capacitor in a memory cell in which a storage capacitor is connected to the
도 13b는 메모리 셀의 상기 비트라인을 통해 상기 드레인 영역(202d)에 Vcc를 인가한 트랜지스터 온 상태를 나타낸다. 트랜지스터 온 상태에서 상기 포텐셜 장벽(φd)은 전위가 높은 드레인 영역 부근에 위치하기 때문에 상기 포텐셜 장벽(φd)의 피크는 상기 소오스 측의 채널보다 φp 만큼 낮은 레벨에 위치하기 때문에, 상기 소오스 영역(①)으로 부터 상기 드레인 영역(④)으로 흐르는 전자의 흐름에 거의 영향을 미치지 않는다. 따라서, 이 트랜지스터는 상기 소오스 영역에 인접한 채널 영역(②)에 의존하여 낮은 문턱전압을 가진다.13B illustrates a transistor on state in which Vcc is applied to the
상술한 것과 같이, 제 2 실시예에 따른 핀 전계효과 트랜지스터는 오프 상태에서 높은 문턱전압을 가지는 트랜지스터 특성을 보여 낮은 오프 누설을 나타내고, 온 상태에서는 낮은 문턱전압을 가지는 트랜지스터 특성을 보여 낮은 트랜지스터 온 전류를 나타낸다. 또한, 상기 소오스 영역에 인접한 채널 영역의 도우핑 농도가 낮기 때문에 소오스 영역과 채널 사이의 정션 누설도 억제할 수 있다.As described above, the fin field effect transistor according to the second embodiment shows a transistor characteristic having a high threshold voltage in an off state and thus shows low off leakage, and a transistor characteristic having a low threshold voltage in an on state and thus shows a low transistor on current. Indicates. In addition, since the doping concentration of the channel region adjacent to the source region is low, the junction leakage between the source region and the channel can be suppressed.
도 11에서 상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역의 경계부(boundary region)은 상기 게이트 전극(210)과 중첩되도록 도시되어 있다. 그러나, 본 발며에 따른 핀 전계효과 트랜지스터는 도 14a에 도시된 것과 같이 드레인 영역(302d)으로 부터 소오스 영역(302s)으로 갈 수록 폭이 줄어드는 테이퍼 형상의 핀에 형성될 수도 있고, 도 14b에 도시된 것과 같이, 채널 부분의 폭은 일정하고, 소오스 영역(212s) 및 드레인 영역(312d)에 각각 확장된 영역을 가지되, 상기 드레인 영역(312d)의 면적이 넓은 구조를 가지는 핀에 형성될 수도 있다.In FIG. 11, a boundary region of the first region and the second region is illustrated to overlap the
도 15는 본 발명의 제 2 실시예의 변형례를 나타낸 사시도이다.15 is a perspective view showing a modification of the second embodiment of the present invention.
도 15를 참조하면, 본 발명에 따른 핀 전계효과 트랜지스터의 채널 영역은 게이트 전극 하부에서 그 폭이 확장될 수도 있으나, 소오스 영역으로 부터 드레인 영역으로 갈 수록 핀의 폭이 점진적으로 확장될 수도 있다.Referring to FIG. 15, the width of the channel region of the fin field effect transistor according to the present invention may be extended below the gate electrode, but the width of the fin may gradually increase from the source region to the drain region.
도시된 것과 같이, 기판 상에 수직으로 돌출된 핀(300)이 형성되고, 상기 핀(300)의 측벽 및 상부면을 감싸는 게이트 전극(310)이 상기 핀(300)의 상부를 가로지른다. 상기 게이트 전극(310)과 상기 핀(300) 사이에는 게이트 절연막(308)이 개재된다. 상기 게이트 전극(310) 양측의 핀 내에 각각 소오스 영역(302s) 및 드레인 영역(302d)이 형성된다. 상기 핀(300)은 상기 소오스 영역(302s)으로 부터 상기 드레인 영역(302d)으로 갈 수록 점진적으로 폭이 증가한다. 따라서, 상기 소오스 영역(302s)의 면적이 작아서 정션 누설을 감소효과를 얻음과 동시에 드레인 영역(302d)의 면적을 상대적으로 증가시켜 트랜지스터 온 전류 증가효과를 얻을 수 있다.As shown in the drawing, a
상기 소오스 영역(302s)과 상기 드레인 영역(302d) 사이의 핀, 다시말해서 상기 게이트 전극(310) 하부의 핀에 채널 영역(301)이 한정된다. 상기 드레인 영역 (302d)에 인접한 채널 영역의 불순물 농도는 상기 소오스 영역(302s)에 인접한 채널 영역의 불순물 농도 보다 높다. 트랜지스터 온 전류 증가를 위해 상기 채널 영역(301)의 불순물 농도를 낮추더라도, 상기 드레인 영역(302d)에 인접한 높은 불순물 농도의 확산층(304)에 의해 상기 드레인 영역(302d)으로 부터 상기 소오스 영역(302s)으로 향하는 전자의 흐름은 억제될 수 있다. 따라서, 상기 채널 영역(301)은 추가적으로 채널확산층을 형성하지 않고, 초기 웰 농도 또는 기판 농도를 유지하여도 무방하다.The
도 16a 내지 도 16d는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 핀 전계효과 트랜지스터의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.16A to 16D are diagrams for describing a method of manufacturing the fin field effect transistor according to the second embodiment of the present invention.
도 16a를 참조하면, 반도체 기판에 수직으로 돌출된 핀(300)을 형성한다. 제 1 실시예와 마찬가지로, 상기 핀(300)은 반도체 벌크 기판을 식각하여 소자분리막에 의해 한정되도록 형성할 수도 있고, SOI기판의 실리콘층을 패터닝하여 매몰 산화막 상에 고립된 구조로 형성할 수도 있다. 상기 핀(300)은 점진적으로 폭이 감소하는 테이퍼 형상을 가질 수도 있고, 도 11에 단면도가 도시된 것과 같이 좁은 폭의 제 1 영역과 넓은 폭의 제 2 영역으로 구분된 형상으로 형성할 수도 있다. 또한, 도 14a에 도시된 것과 같이, 비대칭적인 테이퍼 형상(assymetry taper shape) 또는 도 14b에 도시된 것과 같이 중앙부분은 폭이 좁고 양측에 다른 넓이의 확장된 영역을 가질 수도 있다.Referring to FIG. 16A,
도 16b를 참조하면, 상기 핀(300)을 콘포말하게 덮는 게이트 절연막(308)을 형성하고, 상기 핀(300)의 측벽 및 상부면을 감싸는 게이트 전극(310)을 형성한다. 상기 핀(300)의 상부면에 두꺼운 절연층을 형성함으로써, 상기 게이트 전극(310)과 상기 핀(300)의 상부면 사이에 두꺼운 절연층이 개재되도록 형성할 수도 있다. 상기 게이트 전극(310)이 상기 핀의 측벽 및 상부면을 감싸는 경우 트랜지스터의 채널은 핀의 3면에 형성될 것이고, 상기 게이트 전극(310)과 상기 핀(300)의 상부면 사이에 두꺼운 절연막이 개재되는 경우 트랜지스터의 채널은 핀의 양측벽에 형성될 것이다.Referring to FIG. 16B, a
도 16c를 참조하면, 상기 게이트 전극(310) 일층의 핀(300) 내에 제 1 도전형의 불순물을 주입하여 제 1 도전형의 확산층(303)을 형성한다. 상기 제 1 도전형의 불순물은 핀의 폭이 넓은 부분, 즉 트랜지스터의 드레인이 형성되는 영역(DRAM셀 어레이에서 비트라인이 접속되는 영역)에 주입한다. 상기 제 1 도전형의 불순물은 상기 핀의 초기 불순물의 도전형과 동일한 도전형을 가진다. 예컨대, nMOS 트랜지스터가 채택되는 디램 소자에서 상기 핀은 p형 기판 또는 p형 웰에 형성되고, 상기 제 1 도전형 불순물은 p형인 붕소 또는 불화붕소일 수 있다. 상기 제 1 도전형 확산층(303)은 상기 게이트 전극 하부에 소정거리만큼 측방향으로 확산될 수 있다.Referring to FIG. 16C, a first conductive
도 16d를 참조하면, 상기 게이트 전극(310)을 이온주입 마스크로 사용하여 상기 핀(300) 내에 제 2 도전형의 불순물을 주입한다. 그 결과, 상기 게이트 전극(310) 양측의 핀 내에 소오스 영역(302s) 및 드레인 영역(302d)이 형성된다. 상기 소오스 영역(302s)은 상기 핀의 폭이 좁은 부분에 형성되고, 상기 드레인 영역(302d)은 상기 핀의 폭이 넓은 부분에 형성된다. 상기 제 2 도전형 불순물은 인 또는 비소일 수 있다. 상기 제 2 도전형 불순물은 상기 제 1 도전형 확산층(303)의 도전형을 역치시켜 상기 드레인 영역(302d)을 형성한다. 상기 제 1 도전형 불순물의 측방향 확산거리가 상기 제 2 도전형 불순물의 측방향 확산거리보다 길기 때문에 상기 드레인 영역(302d)에 인접한 핀에 제 1 도전형 확산층(304)이 존재할 수 있다. 즉, 소오스 영역(302s)과 드레인 영역(302d)에 의해 한정되는 채널 영역(301)은 상기 드레인 영역(302d)에 인접한 부분이 다른 영역보다 높은 불순물 농도를 나타낼 수 있다. 상기 제 1 도전형 확산층과 상기 제 2 도전형 확산층의 형성 시기는 서로 치환될 수도 있다. 또한, 상기 제 1 도전형 확산층이 상기 제 2 도전형 확산층에 비해 더 많은 열처리 공정에 노출되도록 하여 확산거리를 조절할 수도 있다.Referring to FIG. 16D, an impurity of a second conductivity type is implanted into the
본 발명의 제 2 실시에는 상술한 제 1 실시예와 같이 디램 셀 어레이 형성공정에 적용될 수도 있다. 도 9a 및 도 9b에서 설명한 것과 같이, 소자분리막을 형성하여 핀들을 격리시킨다. 그러나, 채널확산층은 형성하지 않거나 형성하더라도 제 1 실시예에 비해 낮은 도즈량으로 주입하여 형성한다. 상기 펀치쓰루 방지 확산층은 주사깊이(projection rage)를 적절히 조절하여 핀의 하부에 형성될 수 있도록 한다. 계속해서 상기 핀(300)의 상부를 가로지르는 한 쌍의 게이트 전극(게이트 전극 쌍)을 형성하고, 상기 게이트 전극들(310) 사이의 핀에 제 1 도전형 불순물을 주입하여 제 1 도전형의 확산층을 형성한다. 계속해서, 상기 게이트 전극들(310)을 이온주입 마스크로 사용하여 상기 핀(300) 내에 불순물을 주입하여 상기 게이트 전극들(310) 사이의 핀에 공통 드레인 영역(302d)을 형성하고, 상기 공통 드레인 영역(302d) 양측의 핀에 각각 소오스 영역(302s)을 형성하여 디램 셀 어레이를 구성 할 수 있다. 이어서, 통상의 방법으로 상기 공통 드레인 영역(302d)에 비트라인을 접속하고, 상기 소오스 영역(302s)에 각각 스토리지 커패시터를 접속한다.The second embodiment of the present invention may be applied to the DRAM cell array forming process as in the first embodiment described above. As described with reference to FIGS. 9A and 9B, an isolation layer is formed to isolate the fins. However, even if the channel diffusion layer is not formed or formed, it is formed by implanting at a lower dose than in the first embodiment. The punch-through preventing diffusion layer may be formed at the bottom of the fin by appropriately adjusting the projection rage. Subsequently, a pair of gate electrodes (gate electrode pairs) crossing the upper portion of the
상술한 것과 같이 본 발명에 따른 핀 전계효과 트랜지스터는 폭이 좁은 제 1 영역과 폭이 넓은 제 2 영역으로 구성된 핀을 포함하고, 핀의 폭이 좁은 제 1 영역에 소오스 영역을 형성하여 소오스 영역의 누설 전류 발생을 억제할 수 있다. 핀의 폭이 좁은 경우 공정 변수에 따른 문턱 전압 제어능력이 낮아지기 때문에 상기 제 1 영역 뿐만 아니라 폭이 넓은 제 2 영역 또한 게이트 전극과 되도록 하여 문턱 전압을 높이고, 문턱 전압 제어능력 또한 향상시킬 수 있다.As described above, the fin field effect transistor according to the present invention includes a fin composed of a narrow first region and a wide second region, and forms a source region in the narrow first region of the fin to form a source region. The leakage current can be suppressed. When the width of the pin is narrow, the threshold voltage control capability according to the process variable is lowered, so that not only the first region but also the wide second region may be connected to the gate electrode, thereby increasing the threshold voltage and improving the threshold voltage control capability.
따라서, 본 발명의 트랜지스터는 소오스 누설 전류가 적고 문턱 전압 제어능력 또한 우수하기 때문에 디램 소자와 같은 기억소자의 트랜지스터에 적용될 수 있다. 디램 소자에 적용하는 경우 데이타 유지 시간이 길어져 소비전력을 줄일 수 있다.Therefore, the transistor of the present invention can be applied to transistors of memory devices such as DRAM devices because of low source leakage current and excellent threshold voltage control capability. When applied to DRAM devices, the data retention time can be extended to reduce power consumption.
또한, 드레인 영역에 인접한 채널 영역의 불순물 농도를 소오스 영역 측의 채널 영역의 불순물 농도보다 높게 형성함으로써 오프 상태에서 높은 문턱전압을 가지는 트랜지스터 특성을 보여 낮은 오프 누설을 나타내고, 온 상태에서는 낮은 문턱전압을 가지는 트랜지스터 특성을 보여 낮은 트랜지스터 온 전류를 나타내는 핀 전계효과 트랜지스터를 제공할 수 있다. 더 나아가서, 상기 소오스 영역에 인접한 채널 영역의 도우핑 농도가 낮기 때문에 소오스 영역과 채널 사이의 정션 누설도 억제할 수 있다.In addition, by forming the impurity concentration in the channel region adjacent to the drain region higher than the impurity concentration in the channel region on the source region, the transistor characteristics having a high threshold voltage in the off state are exhibited, resulting in low off leakage and a low threshold voltage in the on state. It is possible to provide a fin field effect transistor exhibiting transistor characteristics showing low transistor on current. Furthermore, since the doping concentration of the channel region adjacent to the source region is low, the junction leakage between the source region and the channel can also be suppressed.
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