KR100660891B1 - Semiconductor device having vertical channel transistor and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1a 내지 도 1l는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 순차적으로 나타낸 사시도들이다.1A to 1L are perspective views sequentially illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 순차적으로 나타낸 평면도들이다.2A through 2F are plan views sequentially illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 3a 내지 도 3w는 도 2a 내지 도 2f의 절단선 A-A와 절단선 B-B를 따라 취해진 단면도들이다.3A-3W are cross-sectional views taken along cut line A-A and cut line B-B of FIGS. 2A-2F.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 셀 어레이 영역의 일부를 나타낸 회로도이다.4 is a circuit diagram illustrating a portion of a cell array region of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
(도면의 주요 부위에 대한 부호의 설명)(Explanation of symbols for main parts of drawing)
100 : 기판 101 : 지지기판100
102 : 매립절연막 103 : 반도체 활성층102: buried insulating film 103: semiconductor active layer
140 : 하부 스토리지 노드 전극부 245 : 하부 플레이트 전극140: lower storage node electrode portion 245: lower plate electrode
130 : 하부 소오스부 122 : 하부 채널부130: lower source portion 122: lower channel portion
225 : 하부 게이트 전극 255 : 하부 워드라인225: lower gate electrode 255: lower word line
120 : 공통 드레인부 265 : 비트 라인120: common drain portion 265: bit line
112 : 상부 채널부 215 : 상부 게이트 전극112: upper channel portion 215: upper gate electrode
275 : 상부 워드라인 110 : 상부 소오스부275: upper word line 110: upper source portion
284 : 상부 스토리지 전극 패드 285 : 상부 스토리지 전극284: upper storage electrode pad 285: upper storage electrode
295 : 상부 플레이트 전극295: upper plate electrode
본 발명은 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 수직 채널 트랜지스터를 구비한 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly to a semiconductor device having a vertical channel transistor and a method of manufacturing the same.
게이트 전극이 반도체 기판 상에 형성되고 게이트 전극 양측에 접합 영역이 형성되는 플래너 타입의 트랜지스터를 채용하는 반도체 소자에 있어서, 반도체 소자의 집적 밀도가 증가함에 따라 채널 길이를 감소시키고자 하는 시도가 계속되고 있다. 그러나, 채널 길이를 감소시키면 드레인 유기 장벽 저하(DIBL:drain induced barrier lowering), 핫 캐리어 효과(hot carrier effect) 및 펀치 스루(punch through)와 같은 단채널 효과(short channel effect)가 발생한다. 이러한 단채널 효과를 방지하기 위하여, 접합 영역의 깊이를 감축시키는 방법 및 채널 영역에 그루브(groove)를 형성하여 상대적으로 채널 길이를 연장하는 방법 등 다양한 방법이 제안되었다.In a semiconductor device employing a planar type transistor in which a gate electrode is formed on a semiconductor substrate and a junction region is formed on both sides of the gate electrode, attempts to reduce the channel length continue as the integration density of the semiconductor device increases. have. However, reducing the channel length results in short channel effects such as drain induced barrier lowering (DIBL), hot carrier effect and punch through. In order to prevent such a short channel effect, various methods have been proposed, such as a method of reducing the depth of the junction region and a method of extending the channel length by forming a groove in the channel region.
그러나, 반도체 메모리 소자, 특히, DRAM(dynamic random access memory)의 집적 밀도가 기가 비트(giga bit)에 육박함에 따라, 단채널 효과를 방지하기 위한 상기 시도들도 한계에 다다르고 있다.However, as the integration density of semiconductor memory devices, particularly dynamic random access memory (DRAM), is approaching giga bits, the above attempts to prevent short channel effects are also reaching their limit.
이를 해결하기 위해, 수직 채널을 구비하는 트랜지스터들이 개시되었다.To address this, transistors with vertical channels have been disclosed.
미국특허 제5,885,864호는 수직 채널을 갖는 트랜지스터를 구비하는 메모리 셀을 개시한다. 상기 메모리 셀은 실리콘 물질의 필라부를 둘러싸는 게이트 전극, 상기 필라부의 상부 부분에 위치하는 제1 소오스/드레인 전극 및 상기 필라부의 베이스에서 실질적으로 수평으로 연장된 실리콘 물질 내에 위치하는 제2 소오스/드레인 전극을 구비하는 억세스 트랜지스터; 및 상기 제1 소오스/드레인 전극에 연결된 스토리지 전극을 구비하는 스토리지 캐패시터를 포함한다.U. S. Patent No. 5,885, 864 discloses a memory cell having a transistor having a vertical channel. The memory cell includes a gate electrode surrounding a pillar portion of a silicon material, a first source / drain electrode positioned at an upper portion of the pillar portion, and a second source / drain positioned in a silicon material substantially horizontally extending from the base of the pillar portion. An access transistor having an electrode; And a storage capacitor having a storage electrode connected to the first source / drain electrode.
또한, 스노우치 등(K. Sunouchi et. al)은 "64/256 메가비트 DRAM을 위한 서라운딩 게이트 트랜지스터 셀(A Surrounding Gate Transistor Cell for 64/256Mbit DRAMs)"이라는 제목의 논문을 Techn. Digest IEDM, pp.23-25, 1989에 개시하였다. 상기 논문은 서라운딩 게이트 트랜지스터 셀을 개시한다. 상기 셀은 필라 실리콘 아일랜드를 둘러싸는 트랜스퍼 게이트와 캐패시터 전극을 구비한다. 상기 실리콘 필라의 상부에 비트 라인이 콘택된다. 즉, 하나의 메모리 셀을 위한 모든 소자들이 하나의 실리콘 필라에 위치한다.K. Sunouchi et. Al. Also published a paper entitled, “A Surrounding Gate Transistor Cell for 64/256 Mbit DRAMs” in Techn. Digest IEDM, pp. 23-25, 1989. The paper discloses a surrounding gate transistor cell. The cell has a transfer gate and a capacitor electrode surrounding the pillar silicon islands. A bit line is contacted over the silicon pillar. That is, all the elements for one memory cell are located in one silicon pillar.
상기 미국특허 및 상기 논문에 개시된 셀은 하나의 실리콘 필라영역에 트랜지스터와 캐패시터를 구비하므로 4F2의 소자 평면적을 갖게 된다. 따라서, 소자의 평면적을 줄이는데 있어서 한계를 내포하고 있다.The cell disclosed in the US patent and the paper includes a transistor and a capacitor in one silicon pillar region, and thus has a device planar area of 4F 2 . Therefore, there is a limit in reducing the planar area of the device.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 초고집적 소자에 적용될 수 있는 반도체 소자를 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a semiconductor device that can be applied to an ultra-high integration device.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 초고집적 소자에 적용할 수 있는 반도체 소자의 제조방법을 제공하는 것이다.In addition, another technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device that can be applied to an ultra-high integration device.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 반도체 소자를 제공한다. 상기 반도체 소자는 기판을 구비한다. 상기 기판 상에 제1방향 및 상기 제1방향에 교차하는 제2방향으로 배열된 필라들이 위치한다. 상기 각 필라는 하부 채널부, 상부 채널부 및 상기 하부 채널부과 상기 상부 채널부 사이에 위치하는 공통 드레인부를 구비한다. 상기 하부 채널부의 외주를 둘러싸는 하부 게이트 전극이 제공되고, 상기 상부 채널부의 외주를 둘러싸는 상부 게이트 전극이 제공된다.In order to achieve the above technical problem, an aspect of the present invention provides a semiconductor device. The semiconductor device has a substrate. Pillars arranged in a first direction and in a second direction crossing the first direction are positioned on the substrate. Each pillar includes a lower channel portion, an upper channel portion, and a common drain portion positioned between the lower channel portion and the upper channel portion. A lower gate electrode surrounding the outer circumference of the lower channel portion is provided, and an upper gate electrode surrounding the outer circumference of the upper channel portion is provided.
상기 필라는 상기 하부 채널부의 하부에 위치하는 하부 스토리지 노드 전극부를 더 구비하고, 상기 반도체 소자는 상기 상부 채널부의 상부에 위치하는 상부 스토리지 노드 전극을 더 포함할 수 있다. 나아가, 상기 반도체 소자는 상기 필라들의 상기 하부 스토리지 노드 전극부들을 둘러싸는 하부 플레이트 전극을 더 구비할 수 있다. The pillar may further include a lower storage node electrode disposed below the lower channel portion, and the semiconductor device may further include an upper storage node electrode positioned above the upper channel portion. In addition, the semiconductor device may further include a lower plate electrode surrounding the lower storage node electrode portions of the pillars.
또한, 상기 필라는 상기 하부 채널부와 상기 하부 스토리지 노드 전극부 사이에 위치하는 하부 소오스부를 더 구비할 수 있다. 이 때, 상기 하부 게이트 전극은 상기 공통 드레인부 및 상기 하부 소오스부와 전기적으로 절연된다.The pillar may further include a lower source part disposed between the lower channel part and the lower storage node electrode part. In this case, the lower gate electrode is electrically insulated from the common drain portion and the lower source portion.
한편, 상기 필라는 상기 상부 채널부와 상기 상부 스토리지 노드 전극 사이에 위치하는 상부 소오스부를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 상부 게이트 전극은 상기 공통 드레인부 및 상기 상부 소오스부와 전기적으로 절연된다. 상기 반도체 소자는 상기 상부 소오스부와 상기 상부 스토리지 노드 전극 사이에 위치하는 스토리지 노드 콘택 패드를 더 구비할 수 있다.The pillar may further include an upper source portion disposed between the upper channel portion and the upper storage node electrode. In this case, the upper gate electrode is electrically insulated from the common drain portion and the upper source portion. The semiconductor device may further include a storage node contact pad positioned between the upper source portion and the upper storage node electrode.
상기 반도체 소자는 상기 제1방향으로 배열된 필라들의 하부 게이트 전극들에 접속하는 하부 워드라인을 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 하부 워드라인은 상기 하부 게이트 전극의 외주를 둘러쌀 수 있다.The semiconductor device may further include a lower word line connected to lower gate electrodes of pillars arranged in the first direction. In this case, the lower word line may surround the outer circumference of the lower gate electrode.
한편, 상기 반도체 소자는 상기 제2방향으로 배열된 필라들의 공통 드레인부들에 접속하는 비트 라인을 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 비트 라인은 상기 공통 드레인부를 둘러쌀 수 있다.The semiconductor device may further include a bit line connected to common drain portions of the pillars arranged in the second direction. In this case, the bit line may surround the common drain portion.
또한, 상기 제1방향으로 배열된 필라들의 상부 게이트 전극들에 접속하는 상부 워드라인을 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 상부 워드라인은 상기 상부 게이트 전극을 둘러쌀 수 있다.The device may further include an upper word line connected to upper gate electrodes of the pillars arranged in the first direction. In this case, the upper word line may surround the upper gate electrode.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 반도체 소자의 제조방법을 제공한다. 상기 제조방법은 기판 상에 제1방향 및 상기 제1방향에 교차하는 제2방향으로 배열된 하드 마스크 패턴들을 형성하고; 상기 각 하드 마스크 패턴을 마스크로 하여 상기 기판을 식각하여, 상기 하드 마스크 패턴의 폭보다 좁은 폭을 갖는 기둥 형태의 상부 채널부를 형성하고; 상기 상부 채널부의 외주에 상부 게이트 전극을 형성하고; 상기 상부 게이트 전극을 마스크로 하여 상기 기판을 식각 하여, 기둥 형태의 공통 드레인부를 형성하고; 상기 공통 드레인부의 측벽에 절연 스페이서를 형성하고; 상기 하드 마스크 패턴 및 상기 절연 스페이서를 마스크로 하여 상기 기판을 식각하여, 상기 공통 드레인부의 폭보다 좁은 폭을 갖는 기둥 형태의 하부 채널부를 형성하고; 상기 하부 채널부의 외주에 하부 게이트 전극을 형성하는 것을 포함한다.In order to achieve the above technical problem, an aspect of the present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device. The manufacturing method includes forming hard mask patterns arranged on a substrate in a first direction and a second direction crossing the first direction; Etching the substrate using the hard mask patterns as masks to form columnar upper channel portions having a width narrower than that of the hard mask patterns; Forming an upper gate electrode on an outer circumference of the upper channel portion; Etching the substrate by using the upper gate electrode as a mask to form a common drain portion having a pillar shape; Forming insulating spacers on sidewalls of the common drain portion; Etching the substrate using the hard mask pattern and the insulating spacer as a mask to form a lower channel portion having a pillar shape having a width smaller than that of the common drain portion; And forming a lower gate electrode on an outer circumference of the lower channel portion.
상기 하부 게이트 전극을 마스크로 하여 상기 기판을 식각하여, 기둥 형태의 하부 스토리지 노드 전극부를 형성하고; 상기 하드 마스크 패턴을 제거하고; 상기 상부 채널부 상에 상부 스토리지 노드 전극을 형성할 수 있다.Etching the substrate using the lower gate electrode as a mask to form a lower storage node electrode part having a pillar shape; Removing the hard mask pattern; An upper storage node electrode may be formed on the upper channel portion.
상기 하부 스토리지 노드 전극부를 형성하기 전에, 상기 하드 마스크 패턴 및 상기 하부 게이트 전극을 마스크로 하여 상기 기판을 식각하여, 기둥 형태의 하부 소오스부를 형성할 수 있다. 또한, 상기 상부 채널부를 형성하기 전에, 상기 하드 마스크 패턴을 마스크로 하여 상기 기판을 식각하여 상부 소오스부를 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 상부 스토리지 노드 전극은 상기 상부 소오스부 상에 형성할 수 있다.Before forming the lower storage node electrode portion, the substrate may be etched using the hard mask pattern and the lower gate electrode as a mask to form a lower source portion having a pillar shape. In addition, before forming the upper channel portion, the substrate may be etched using the hard mask pattern as a mask to form an upper source portion. In this case, the upper storage node electrode may be formed on the upper source portion.
상기 상부 스토리지 노드 전극을 형성하기 전에, 상기 상부 소오스부 상에 스토리지 노드 콘택 패드를 형성할 수 있다.Before forming the upper storage node electrode, a storage node contact pad may be formed on the upper source portion.
상기 제1방향으로 배열된 하드 마스크 패턴들의 하부에 각각 형성된 하부 게이트 전극들에 접속하는 하부 워드라인을 형성하고, 상기 제2방향으로 배열된 하드 마스크 패턴들의 하부에 각각 형성된 공통 드레인 영역들에 접속하는 비트라인을 형성하고, 상기 제1방향으로 배열된 하드 마스크 패턴들의 하부에 각각 형성된 상부 게이트 전극들에 접속하는 상부 워드라인을 형성할 수 있다.A lower word line is formed to connect lower gate electrodes formed under the hard mask patterns arranged in the first direction, and connected to common drain regions formed under the hard mask patterns arranged in the second direction. A bit line may be formed, and an upper word line may be formed to connect upper gate electrodes formed under the hard mask patterns arranged in the first direction.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 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 기하여 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐서 '소오스'는 '드레인'과 치환가능하며, 이와 동시에 '드레인'은 '소오스'와 치환가능하다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 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. Like numbers refer to like elements throughout. In addition, throughout the specification, 'source' may be substituted for 'drain', and at the same time, 'drain' may be substituted for 'source'.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 메모리 소자의 셀 어레이 영역의 일부를 나타낸 회로도이다.4 is a circuit diagram illustrating a portion of a cell array region of a semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 일방향으로 상부 워드라인(W/LH) 및 상기 상부 워드라인(W/LH)에 평행하는 하부 워드라인(W/LL)이 배열되고, 상기 워드라인들(W/LH, W/LL)에 교차하는 방향으로 비트라인들(B/L)이 배열된다. 상기 상부 워드라인(W/LH) 및 상기 비트라인(B/L)의 교차에 의해 상부 단위 셀(UCH) 정의되며, 상기 하부 워드라인(W/LL) 및 상기 비트라인(B/L)의 교차에 의해 하부 단위 셀(UCl) 정의된다. Referring to FIG. 4, an upper word line W / L H and a lower word line W / L L parallel to the upper word line W / L H are arranged in one direction, and the word lines W are arranged. Bit lines B / L are arranged in a direction intersecting / L H and W / L L. An upper unit cell UC H is defined by the intersection of the upper word line W / L H and the bit line B / L, and the lower word line W / L L and the bit line B / L. The lower unit cell UC l is defined by the intersection of L).
상기 상부 단위 셀(UCH)은 상부 트랜지스터(TH)와 상부 캐패시터(CH)를 구비한다. 상기 상부 트랜지스터(TH)는 게이트가 상기 상부 워드라인(W/LH)에 접속하 고, 드레인이 상기 비트라인(B/L)에 접속하며, 상기 상부 캐패시터(CH)는 스토리지 노드 전극이 상기 상부 트랜지스터(TH)의 소오스에 접속하고, 플레이트 전극이 상부 플레이트 전극 라인(P/LH)에 접속한다. 마찬가지로, 상기 하부 단위 셀(UCL)은 하부 트랜지스터(TL)와 하부 캐패시터(CL)를 구비한다. 상기 하부 트랜지스터(TL)는 게이트가 상기 하부 워드라인(W/LL)에 접속하고, 드레인이 상기 비트라인(B/L)에 접속하며, 상기 하부 캐패시터(CL)는 스토리지 노드 전극이 상기 하부 트랜지스터(TL)의 소오스에 접속하고, 플레이트 전극은 하부 플레이트 전극 라인(P/LL)에 접속한다. 한편, 하나의 비트라인(B/L)에 접속하는 상부 트랜지스터(TH) 및 하부 트랜지스터(TL)는 드레인을 공유한다.The upper unit cell UC H includes an upper transistor T H and an upper capacitor C H. The upper transistor T H has a gate connected to the upper word line W / L H , a drain connected to the bit line B / L, and the upper capacitor C H is a storage node electrode. The source electrode is connected to the source of the upper transistor T H , and the plate electrode is connected to the upper plate electrode line P / L H. Similarly, the lower unit cell UC L includes a lower transistor T L and a lower capacitor C L. The lower transistor T L has a gate connected to the lower word line W / L L , a drain connected to the bit line B / L, and the lower capacitor C L is connected to a storage node electrode. The source of the lower transistor T L is connected, and the plate electrode is connected to the lower plate electrode line P / L L. Meanwhile, the upper transistor T H and the lower transistor T L connected to one bit line B / L share a drain.
도 1a 내지 도 1l는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 순차적으로 나타낸 사시도들이고, 도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 순차적으로 나타낸 평면도들이다. 도 3a 내지 도 3w는 도 2a 내지 도 2f의 절단선 A-A와 절단선 B-B를 따라 취해진 단면도들로서, 영역 "A"는 절단선 A-A를 따라 취해진 영역이고, 영역 "B"는 절단선 B-B를 따라 취해진 영역이다. 한편, 상기 사시도들에는 후술하는 층간 절연막들을 도시하지 않았다.1A to 1L are perspective views sequentially illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2A to 2F are plan views sequentially illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. admit. 3A-3W are cross-sectional views taken along cut line AA and cut line BB of FIGS. 2A-2F, wherein region “A” is an area taken along cut line AA and region “B” is taken along cut line BB. Area. In the meantime, the interlayer insulating layers described below are not illustrated.
도 1a, 도 2a 및 도 3a를 참조하면, 기판(100)이 제공된다. 상기 기판(100) 은 에스오아이(Silicon On Insulator; SOI) 기판일 수 있다. 상기 에스오아이 기판은 지지기판(101), 상기 지지기판(101) 상의 매립 절연층(102) 및 상기 매립 절연층(103) 상의 반도체 활성층(103)을 갖는다.1A, 2A, and 3A, a
상기 기판(100)에 웰(well)을 형성하기 위한 불순물을 주입한다. 상기 웰을 형성하기 위한 불순물은 P형 불순물일 수 있다. 그 결과, 상기 반도체 활성층(103) 내에 P웰이 형성된다. 이어서, 상기 기판(100)에 채널 불순물을 주입한다.Impurities for forming a well are implanted into the
상기 기판(100) 상에 패드 산화막(201)을 형성한다. 상기 패드 산화막(201)은 열산화 방식으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 패드 산화막(201)은 실리콘 산화막일 수 있다. 상기 패드 산화막(201) 상에 하드 마스크막을 적층한다. 상기 하드 마스크막은 상기 패드 산화막(201) 및 상기 반도체 활성층(103)에 대해 식각 선택비를 갖는 물질인 것이 바람직하다. 상기 하드 마스크막은 예를 들어, 실리콘 질화막일 수 있다. 이어서, 상기 하드 마스크막을 패터닝하여 제1방향 및 상기 제1방향에 교차하는 제2방향으로 배열된 하드 마스크 패턴(203)을 형성한다. 상기 제1방향은 절단선 A-A에 평행한 X축 방향일 수 있고, 상기 제2방향은 절단선 B-B에 평행한 Y축 방향일 수 있다. 또한, 상기 하드 마스크 패턴(203)은 정사각형 형태를 가질 수 있으며, 이 경우 상기 하드 마스크 패턴(203)의 일변의 길이는 1F(F:minimum feature size)일 수 있다.A
이어서, 상기 하드 마스크 패턴(203)을 마스크로 하여, 상기 패드 산화막(201) 및 상기 반도체 활성층(103)을 식각한다. 이러한 식각은 비등방성 식각인 것이 바람직하다. 그 결과, 상기 반도체 활성층 물질로 이루어진 제1 서브 필라가 형성되는데, 상기 제1 서브 필라는 기둥 형태의 상부 소오스부(110)이다. 상기 상부 소오스부(110)의 폭은 상기 하드 마스크 패턴의 폭(203)과 같을 수 있다.Subsequently, the
한편, 도 2a에는 단위 셀 영역(C)이 표시된다. 상기 단위 셀 영역(C)의 한 변은 상기 하드 마스크 패턴(203)의 X축 방향 피치(pitch)인 2F의 피쳐 사이즈를 가지며, 다른 한 변은 상기 하드 마스크 패턴(203)의 Y축 방향 피치인 2F의 피쳐 사이즈를 갖는다. 그 결과, 단위 셀 영역(C)의 제곱 피쳐 사이즈는 4F2가 된다.2A shows the unit cell region C. FIG. One side of the unit cell region C has a feature size of 2F which is an X-axis pitch of the
한편, 도 1a 및 도 2a에 도시된 상기 하드 마스크 패턴(203)의 평면형상은 정사각형이나, 실제의 공정 진행시 원형으로 패터닝될 수도 있다.Meanwhile, the planar shape of the
도 1b, 도 2a 및 도 3b를 참조하면, 상기 상부 소오스부(110)가 형성된 기판 상에 제 1 절연 스페이서 물질을 적층하고 상기 제 1 절연 스페이서 물질을 에치백(etch back)함으로써, 상기 상부 소오스부(110)의 측벽 상에 제 1 절연 스페이서(207)을 형성한다. 상기 제 1 절연 스페이서(207)는 상기 하드 마스크 패턴(203)의 측벽 상에도 형성될 수 있다. 상기 제 1 절연 스페이서 물질은 상기 기판(100) 즉, 상기 반도체 활성층(103)에 대해 식각선택비를 갖는 물질로 예를 들어, 실리콘 질화막일 수 있다.1B, 2A, and 3B, by stacking a first insulating spacer material on the substrate on which the
도 1b, 도 2b 및 도 3c를 참조하면, 상기 하드 마스크 패턴(203) 및 상기 제 1 절연 스페이서(207)를 마스크로 하여, 상기 기판(100) 즉, 상기 반도체 활성층(103)을 소정 깊이 만큼 식각한다. 상기 반도체 활성층(103)을 식각하는 것은 비등방성 식각인 것이 바람직하다. 그 결과, 상기 상부 소오스부(110)의 하부 및 상 기 제 1 절연 스페이서(207)의 하부에 상기 반도체 활성층 물질로 이루어지고, 상기 상부 소오스부(110)와 일체로서 그의 하부로 연장된 제2 서브 필라가 형성된다. 이어서, 상기 하드 마스크 패턴(203) 및 상기 제 1 절연 스페이서(207)를 마스크로 하여 상기 제2 서브 필라의 측벽들을 소정 폭 만큼 식각한다. 상기 제2 서브 필라의 측벽들을 식각하는 것은 등방성 식각인 것이 바람직하다. 그 결과, 상기 상부 소오스부(110)의 하부에 상기 하드 마스크 패턴(203)의 폭 보다 작은 폭을 갖고 기둥 형태인 상부 채널부(112)가 형성된다.Referring to FIGS. 1B, 2B, and 3C, the
이어서, 상기 상부 채널부(112)가 형성된 기판 상에 제 1 게이트 절연막(212)을 형성한다. 자세하게는 상기 제 1 게이트 절연막(212)은 상기 상부 채널부(112)의 측벽, 상기 상부 채널부(112)들 사이에 노출된 반도체 활성층(103) 및 상기 상부 채널부(112)가 형성됨으로써 노출된 상기 상부 소오스부(110)의 하부면 상에 형성된다. 상기 상부 게이트 절연막(212)은 상기 기판을 열산화하는 방법을 사용하여 형성된 열산화막인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않고 증착산화막일 수도 있다. 한편, 상기 상부 게이트 절연막(212)은 실리콘 산화막(SiO2), 하프늄 산화막(HfO2), 탄탈륨 산화막(Ta2O5) 또는 ONO(oxide/nitride/oxide)막일 수 있다.Subsequently, a first
이어서, 상기 상부 게이트 절연막(212)이 형성된 기판(100) 상에 상부 게이트 전극막을 적층한다. 상기 상부 게이트 전극막은 n형 또는 p형 불순물이 도핑된 폴리실리콘막 또는 실리콘 게르마늄막일 수 있다. 상기 상부 게이트 절연막(212)을 식각 저지막으로 사용하여 상기 상부 게이트 전극막을 에치백한다. 그 결과, 상기 상부 게이트 전극막은 상기 상부 채널부(112), 상기 상부 소오스부(110), 상기 제 1 절연 스페이서(207) 및 상기 기판(100)에 의해 형성된 공간 내에 잔류하며, 상기 잔류하는 상기 상부 게이트 전극막은 상부 게이트 전극(215)을 형성한다. 상기 상부 게이트 전극(215)은 상기 상부 채널부(112)의 외주를 둘러싸는 서라운딩 게이트 전극(surrounding gate electrode)이다.Subsequently, an upper gate electrode layer is stacked on the
도 1b, 도 2b 및 도 3d를 참조하면, 상기 상부 게이트 전극(215)이 형성된 기판(100)에 n형 불순물 예컨대, 인(P) 또는 비소(As)를 이온 주입하여, 상기 상부 채널부(112) 사이의 기판(100)에 공통 드레인 영역(120a)을 형성한다.1B, 2B, and 3D, n-type impurities such as phosphorus (P) or arsenic (As) are ion-implanted into the
도 1c, 도 2b 및 도 3e를 참조하면, 상기 하드 마스크 패턴(203) 및 상기 상부 게이트 전극(215)을 마스크로 하여 상기 상부 게이트 절연막(212) 및 상기 기판(100) 즉, 상기 반도체 활성층(103)을 식각한다. 이러한 식각은 비등방성 식각인 것이 바람직하다. 그 결과, 상기 반도체 활성층(103) 물질로 형성되며, 상기 상부 채널부(112)와 일체로서 그의 하부로 연장된 제3 서브 필라가 형성된다. 상기 제3 서브 필라는 기둥 형태의 공통 드레인부(120)이며, 상기 공통 드레인부(120)는 상기 상부 채널부(112)의 폭보다 넓은 폭을 갖는다. 상기 공통 드레인부(120)는 상기 공통 드레인 영역(120a)을 구비한다.Referring to FIGS. 1C, 2B, and 3E, the upper
한편, 상기 상부 게이트 전극(215)은 상기 상부 게이트 절연막(212)에 의해 상기 상부 소오스부(110) 및 상기 공통 드레인부(120)과 절연된다.The
도 1d, 도 2c 및 도 3f를 참조하면, 상기 공통 드레인부(120)가 형성된 기판 상에 제 2 절연 스페이서 물질을 적층하고 상기 제 2 절연 스페이서 물질을 에치백 함으로써, 상기 공통 드레인부(120)의 측벽 상에 제 2 절연 스페이서(217)를 형성한다. 상기 제 2 절연 스페이서(217)는 상기 제 1 절연 스페이서(207) 및 상기 상부 게이트 전극(215)의 측벽 상에도 형성될 수 있다. 상기 제 2 절연 스페이서 물질은 상기 기판 즉, 상기 반도체 활성층(103)에 대해 식각선택비를 갖는 물질로 예를 들어, 실리콘 질화막일 수 있다.1D, 2C, and 3F, by stacking a second insulating spacer material on the substrate on which the
이어서, 상기 하드 마스크 패턴(203) 및 상기 제 2 절연 스페이서(217)를 마스크로 하여, 상기 기판(100) 즉, 상기 반도체 활성층(103)을 소정 깊이만큼 식각한다. 상기 반도체 활성층(103)을 소정 깊이만큼 식각하는 것은 비등방성 식각인 것이 바람직하다. 그 결과, 상기 공통 드레인부(120)의 하부 및 상기 제 2 절연 스페이서(217)의 하부에 상기 반도체 활성층 물질로 이루어지고, 상기 공통 드레인부(120)와 일체로서 그의 하부로 연장된 제4 서브 필라가 형성된다. 이어서, 상기 하드 마스크 패턴(203) 및 상기 제 2 절연 스페이서(217)를 마스크로 하여 상기 제4 서브 필라의 측벽들을 소정 폭만큼 식각한다. 상기 제4 서브 필라의 측벽들을 소정 폭만큼 식각하는 것은 등방성 식각인 것이 바람직하다. 그 결과, 상기 공통 드레인부(120)의 하부에 상기 공통 드레인부(120)의 폭 보다 작은 폭을 갖는 기둥 형태의 하부 채널부(122)가 형성된다.Subsequently, the
이어서, 상기 하부 채널부(122)가 형성된 기판 상에 하부 게이트 절연막(222)을 형성한다. 자세하게는 상기 하부 게이트 절연막(222)은 상기 하부 채널부(122)의 측벽, 상기 하부 채널부(122)에 의해 노출된 상기 공통 드레인부(120)의 하부면 및 상기 하부 채널부(122)들 사이에 노출된 반도체 활성층(103) 상에 형성 한다. 상기 하부 게이트 절연막(222)은 상기 기판을 열산화하는 방법을 사용하여 형성된 열산화막인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않고 증착산화막일 수도 있다. 한편, 상기 하부 게이트 절연막(222)은 실리콘 산화막(SiO2), 하프늄 산화막(HfO2), 탄탈륨 산화막(Ta2O5) 또는 ONO(oxide/nitride/oxide)막일 수 있다.Subsequently, a lower
이어서, 상기 하부 게이트 절연막(222)이 형성된 기판(100) 상에 하부 게이트 전극막을 적층한다. 상기 하부 게이트 전극막은 n형 또는 p형 불순물이 도핑된 폴리실리콘막 또는 실리콘 게르마늄막일 수 있다. 이어서, 상기 하부 게이트 절연막(222)을 식각 저지막으로 사용하여 상기 하부 게이트 전극막을 에치백한다. 그 결과, 상기 하부 게이트 전극막은 상기 하부 채널부(122), 상기 공통 드레인부(120), 상기 제 2 절연 스페이서(217) 및 상기 기판(100)에 의해 형성된 공간 내에 잔류하며, 상기 잔류하는 상기 하부 게이트 전극막은 하부 게이트 전극(225)을 형성한다. 이때, 상기 하부 게이트 전극(225)은 상기 하부 채널부(122)의 외주를 둘러싸는 서라운딩 게이트 전극의 형태를 갖는다.Subsequently, a lower gate electrode layer is stacked on the
도 1d, 도 2c 및 도 3g를 참조하면, 상기 하부 게이트 전극(225)이 형성된 기판(100)에 n형 불순물 예컨대, 인(P) 또는 비소(As)를 이온 주입하여 상기 하부 채널부(122)들 사이의 기판(100)에 하부 소오스 영역(130a)을 형성한다. 추가적으로, 상기 하부 소오스 영역(130a)을 형성하기 위한 불순물의 도즈보다 낮은 도즈로 n형 불순물을 주입하여, LDD 영역을 형성할 수도 있다.1D, 2C, and 3G, n-type impurities such as phosphorus (P) or arsenic (As) are ion-implanted into the
도 1e, 도 2c 및 도 3h를 참조하면, 상기 하드 마스크 패턴(203) 및 상기 하 부 게이트 전극(225)을 마스크로 하여 상기 하부 게이트 절연막(222) 및 상기 기판 즉, 상기 반도체 활성층(103)을 소정 깊이 만큼 식각한다. 상기 반도체 활성층(103)을 식각하는 것은 비등방성 식각인 것이 바람직하다. 그 결과, 상기 반도체 활성층(103) 물질로 형성되며, 상기 하부 채널부(122)와 일체로서 그의 하부로 연장된 제5 서브 필라가 형성된다. 상기 제5 서브 필라는 하부 소오스부(130)를 형성하며, 상기 하부 소오스부(130)는 상기 하부 채널부(122)의 폭보다 넓은 폭을 갖는다. 상기 하부 소오스부(130)는 상기 하부 소오스 영역(130a)을 구비한다.1E, 2C, and 3H, the lower
한편, 상기 하부 게이트 전극(225)은 상기 하부 게이트 절연막(222)에 의해 상기 공통 드레인부(120) 및 상기 하부 소오스부(130)와 절연된다.The
도 1e, 도 2c 및 도 3i를 참조하면, 상기 하부 소오스부(130)가 형성된 기판(100)에 n형 불순물 예컨대, 인(P) 또는 비소(As)를 이온 주입하되, 상기 하부 소오스 영역(130a) 내의 불순물 농도보다 고농도로 이온주입한다. 그 결과, 상기 반도체 활성층(103) 내에 고농도 불순물 영역이 형성된다.1E, 2C, and 3I, n-type impurities such as phosphorus (P) or arsenic (As) are ion-implanted into the
도 1f, 도 2c 및 도 3j를 참조하면, 상기 하드 마스크 패턴(203) 및 상기 하부 게이트 전극(225)을 마스크로 하여 상기 고농도 불순물 영역이 형성된 상기 반도체 활성층(103)을 식각하되, 상기 매립 절연층(102)이 노출될 때까지 식각한다. 이러한 식각은 비등방성 식각인 것이 바람직하다. 그 결과, 상기 반도체 활성층(103) 물질로 형성되며, 상기 하부 소오스부(130)와 일체로서 그의 하부로 연장된 제6 서브 필라가 형성된다. 상기 제6 서브 필라는 하부 스토리지 노드 전극부(140)를 형성한다.1F, 2C, and 3J, the semiconductor
이로써, 상기 상부 소오스부(110), 상기 상부 채널부(112), 상기 공통 드레인부(120), 상기 하부 채널부(122), 상기 하부 소오스부(130) 및 상기 하부 스토리지 노드 전극부(140)는 하나의 필라를 형성한다.Accordingly, the
도 1g, 도 2c 및 도 3k를 참조하면, 상기 하부 스토리지 노드 전극부(140)가 형성된 기판(100) 상에 유전체 물질을 적층하고, 상기 적층된 유전체 물질을 상기 매립절연막이 노출되도록 에치백 하여 유전체막 스페이서(242)를 형성한다. 상기 유전체막 스페이서(242)는 적어도 상기 하부 스토리지 노드 전극부(140)의 외주를 둘러싸도록 형성하는 것이 바람직하다. 나아가, 상기 유전체막 스페이서(242)은 상기 하부 소오스부(130)의 외주를 둘러싸도록 형성할 수 있다.1G, 2C, and 3K, a dielectric material is stacked on a
상기 유전체막 스페이서(242)가 형성된 기판(100) 상에 플레이트 전극 물질을 적층한다. 상기 플레이트 전극 물질은 적어도 상기 필라들 사이의 공간을 매립하도록 형성하는 것이 바람직하다. 이어서, 상기 적층된 플레이트 전극 물질을 소정 깊이 만큼 에치백하여, 적어도 상기 하부 스토리지 노드 전극부(140)의 외주를 둘러싸는 플레이트 전극(245)을 형성한다. 상기 플레이트 전극(245)은 상기 하부 스토리지 노드 전극부들(140) 사이에도 형성되어, 복수개의 하부 스토리지 노드 전극부들(140)의 외주를 둘러싸도록 형성된다. 바람직하게는 상기 플레이트 전극(245)의 높이는 상기 하부 스토리지 노드 전극부(140)의 높이 보다 높은 것이 바람직하다. 한편, 상기 플레이트 전극 물질은 도우핑된 폴리실리콘일 수 있다.A plate electrode material is stacked on the
도 1g, 도 2c 및 도 3l을 참조하면, 상기 플레이트 전극(245)이 형성된 기판 상에 상기 제 1 층간절연막(250)을 적층하되, 상기 필라들 사이의 공간을 충분히 매립할 정도의 두께로 적층한다. 이어서, 상기 제 1 층간절연막(250)을 상기 하드 마스크 패턴(203)의 표면이 노출될 때까지 평탄화한다. 이때, 평탄화 공정은 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing) 공정 또는 에치백 공정일 수 있다.Referring to FIGS. 1G, 2C, and 3L, the first
도 1h, 도 2d 및 도 3m을 참조하면, 상기 평탄화된 제 1 층간절연막(250)을 사진식각법을 사용하여 선택적으로 식각함으로써, 상기 제 1 층간절연막(250) 내에 제 1 트렌치(250a)를 형성한다. 상기 제 1 트렌치(250a)는 상기 제 1 트렌치(250a) 내에 상기 하부 소오스부(130)의 측벽이 노출되지 않으면서, 상기 하부 게이트 전극(225)의 측벽을 노출시킬 수 있을 정도의 깊이를 갖도록 형성하되, X축 방향으로 연장되도록 형성한다. 따라서, 상기 제 1 트렌치(250a) 내에 상기 하부 게이트 전극(225)의 측벽 상에 형성된 상기 유전체막 스페이서(242)의 상부 일부가 노출된다. 바람직하게는 상기 제 1 트렌치(250a)의 폭은 상기 하부 게이트 전극(225)의 양측벽들 사이의 폭 보다 큰 것이 바람직하다.1H, 2D, and 3M, the planarized first
이어서, 상기 제 1 트렌치(250a) 내에 노출된 상기 유전막 스페이서(242)의 상부 일부를 식각하여 상기 제 1 트렌치(250a) 내에 하부 게이트 전극(225)의 측벽을 노출시킨다. 이어서, 산화막 습식식각액을 사용하여 상기 하부 게이트 전극(225)의 측벽을 계면처리할 수 있다. 그런 다음, 상기 하부 게이트 전극(225)의 측벽이 노출된 기판 상에 제 1 배선 도전막을 적층하고, 상기 제 1 배선 도전막을 상기 하부 게이트 전극(225)의 상부 일부가 노출될 정도로 에치백한다. 그 결과, 상기 X축으로 서로 인접하는 하부 게이트 전극(225)들 사이에 하부 워드라인(255) 이 형성된다. 나아가, 상기 제 1 트렌치(250a)가 상기 하부 게이트 전극(225)의 폭 보다 크게 형성된 경우, 상기 하부 워드라인(255)은 상기 하부 게이트 전극(225)의 외주를 둘러싸면서 X축 방향으로 연장된다. 따라서, 상기 하부 워드라인(255)을 따라 전송되는 신호의 지연을 방지할 수 있다.Subsequently, an upper portion of the
도 1h, 도 2d 및 도 3n을 참조하면, 상기 하부 워드라인(255)이 형성된 기판 상에 제 2 층간 절연막(260)을 적층하되, 상기 제 1 트렌치(250a)를 충분히 매립할 정도의 두께로 적층한다. 이어서, 제 2 층간절연막(260)을 상기 하드 마스크 패턴(203)의 표면이 노출될 때까지 평탄화한다. 이때, 평탄화 공정은 화학적 기계적 연마 공정 또는 에치백 공정일 수 있다.Referring to FIGS. 1H, 2D, and 3N, a second
도 1i, 도 2e 및 도 3o를 참조하면, 상기 평탄화된 제 2 층간절연막(260) 및 상기 제 1 층간절연막(250) 내에 제 2 트렌치(260a)를 형성한다. 상기 제 2 트렌치(260a)는 상기 제 2 트렌치(260a) 내에 상기 하부 게이트 전극(225)이 노출되지 않으면서, 상기 공통 드레인부(120)의 측벽의 적어도 일부를 노출시킬 수 있을 정도의 깊이를 갖도록 형성하되, Y축 방향으로 연장되도록 형성한다. 따라서, 상기 제 2 트렌치(260a) 내에는 상기 공통 드레인부(120)의 측벽 상에 형성된 상기 제 2 절연 스페이서(도 3n의 217)의 일부가 노출된다. 바람직하게는 상기 제 2 트렌치(260a)의 폭은 상기 공통 드레인부(120)의 양측벽들 사이의 폭 보다 큰 것이 바람직하다.1I, 2E, and 3O, a
이어서, 상기 제 2 절연 스페이서(217)의 상기 제 2 트렌치(260a) 내에 노출된 부분만을 식각하여 상기 제 2 트렌치(260a) 내에 공통 드레인부(120)의 측벽의 적어도 일부를 노출시키되, 상기 하부 게이트 전극(225)이 노출되지 않도록 한다. 이어서, 상기 공통 드레인부(120)의 측벽이 노출된 기판 상에 제 2 배선 도전막을 적층하고, 상기 제 2 배선 도전막을 상기 공통 드레인부(120)의 측벽의 상부 일부가 노출될 정도로 에치백한다. 그 결과, 상기 Y축 방향으로 서로 인접하는 공통 드레인부(120)들 사이에 비트라인(265)이 형성된다. 나아가, 상기 제 2 트렌치(260a)가 상기 공통 드레인부(120)의 폭 보다 크게 형성된 경우, 상기 비트라인(265)은 상기 공통 드레인부(120)의 외주를 둘러싸면서 Y축 방향으로 연장된다. 따라서, 상기 비트라인(265)을 따라 전송되는 신호의 지연을 방지할 수 있다.Subsequently, only portions exposed in the
이어서, 도 1i, 도 2e 및 도 3p를 참조하면, 상기 비트라인(265)이 형성된 기판 상에 제 3 층간 절연막(270)을 적층하되, 상기 제 2 트렌치(260a)를 충분히 매립할 정도의 두께로 적층한다. 이어서, 제 3 층간 절연막(270)을 상기 하드 마스크 패턴(203)의 표면이 노출될 때까지 평탄화한다. 이때, 평탄화 공정은 화학적 기계적 연마 공정 또는 에치백 공정일 수 있다.Subsequently, referring to FIGS. 1I, 2E, and 3P, a third
이어서, 도 1j, 도 2f 및 도 3q을 참조하면, 상기 평탄화된 제 3 층간절연막(270), 상기 제 2 층간절연막(260) 및 상기 제 1 층간절연막(250) 내에 제 3 트렌치(270a)를 형성한다. 상기 제 3 트렌치(270a)는 상기 제 3 트렌치(270a) 내에 상기 공통 드레인부(120)가 노출되지 않고, 상기 상부 게이트 전극(215)의 측벽의 적어도 일부를 노출시킬 수 있을 정도의 깊이를 갖도록 형성하되, X축 방향으로 연장되도록 형성한다. 바람직하게는 상기 제 3 트렌치(270a)의 폭은 상기 상부 게이트 전극(215)의 양측벽들 사이의 폭 보다 큰 것이 바람직하다.1J, 2F, and 3Q, a
이어서, 상기 제 3 트렌치(270a) 내에 상부 게이트 전극(215)의 측벽이 노출된 기판 상에 제 3 배선 도전막을 적층하고, 상기 제 3 배선 도전막을 상기 상부 게이트 전극(215)의 상부 일부가 노출될 정도로 에치백한다. 그 결과, 상기 X축으로 서로 인접하는 상부 게이트 전극(215)들 사이에 상부 워드라인(275)이 형성된다. 나아가, 상기 제 3 트렌치(270a)가 상기 상부 게이트 전극(215)의 양측벽들 사이의 폭 보다 크게 형성된 경우, 상기 상부 워드라인(275)은 상기 상부 게이트 전극(215)의 외주를 둘러싸면서 X축 방향으로 연장된다.Subsequently, a third wiring conductive film is stacked on the substrate in which the sidewalls of the
도 1j, 도 2f 및 도 3r을 참조하면, 상기 상부 워드라인(275)이 형성된 기판 상에 제 4 층간 절연막(280)을 적층하되, 상기 제 3 트렌치(270a)를 충분히 매립하고 또한 상기 제 3 층간 절연막(270)에 대해 소정의 높이를 갖도록 형성한다. 이어서, 상기 적층된 제 4 층간 절연막(280)을 평탄화하되, 상기 하드 마스크 패턴(203)으로부터 소정의 높이를 갖도록 평탄화한다. Referring to FIGS. 1J, 2F, and 3R, a fourth
도 1j, 도 2f 및 도 3s를 참조하면, 상기 제 4 층간 절연막(280) 내에 상기 하드 마스크 패턴(203)을 노출시키는 콘택홀(280a)을 형성한다.1J, 2F, and 3S, a
도 1k, 도 2f 및 도 3t를 참조하면, 상기 콘택홀(280a) 내에 노출된 상기 하드 마스크 패턴(도 3s의 203) 및 상기 제 1 절연 스페이서(도 3s의 207)를 제거하여, 상기 패드 산화막(도 3s의 105)의 상부 및 상기 상부 소오스부(110)의 측벽을 노출시킨다. 이 때, 상기 상부 게이트 전극(215)의 상부 일부 또한 노출될 수 있다. 상기 하드 마스크 패턴(도 3s의 203) 및 상기 제 1 절연 스페이서(도 3s의 207)는 습식식각법을 사용하여 제거할 수 있다. 이어서, 상기 패드 산화막(도 3s 의 105)을 제거하여 상기 상부 소오스부(110)의 상부를 노출시킨다. 상기 패드 산화막(도 3s의 105)을 제거함에 있어서, 상기 콘택홀(280a) 주위의 층간 절연막(280)도 일부 식각될 수 있어, 상기 콘택홀(280a)의 폭은 다소 넓어질 수 있다. 그 결과, 상기 콘택홀(280a) 내에 상기 상부 게이트 전극(215)과 더불어서 상부 워드라인(275)의 상부 일부 또한 노출될 수 있다.1K, 2F, and 3T, the pad oxide layer may be removed by removing the
도 1k, 도 2f 및 도 3u를 참조하면, 상기 노출된 상부 소오스 영역(110)을 구비하는 기판 상에 제 3 절연 스페이서막을 적층한다. 상기 제 3 절연 스페이서막은 상기 층간 절연막(280) 및 상기 상부 소오스부(110)에 대해 식각선택비를 갖는 물질 예를 들어, 실리콘 질화막으로 형성할 수 있다. 이어서, 상기 제 3 절연 스페이서막을 상기 상부 소오스부(110)의 표면이 노출되도록 에치백하여, 상기 콘택홀(280a)의 측벽 상에 제 3 절연 스페이서(283)를 형성한다. 그 결과, 상기 제 3 절연 스페이서(283)는 상기 콘택홀(280a) 내에 노출된 상기 상부 게이트 전극(215)의 상부 및 상기 상부 워드라인(275)의 상부를 덮을 수 있다.1K, 2F, and 3U, a third insulating spacer layer is stacked on the substrate having the exposed
이어서, 상기 제 3 절연 스페이서(283)에 의해서 노출된 상부 소오스부(110)에 불순물, 예컨대, 인(P) 또는 비소(As)이온을 주입하여 상부 소오스 영역을 형성한다.Subsequently, impurities, for example, phosphorus (P) or arsenic (As) ions, are implanted into the
도 1k, 도 2f 및 도 3v를 참조하면, 상기 제 3 절연 스페이서들(283) 사이의 공간이 충분히 매립되도록 콘택 패드 도전막을 적층한다. 상기 도전막은 n형 불순물이 포함된 폴리실리콘막일 수 있다. 상기 콘택 패드 도전막을 상기 제 4 층간 절연막(280)의 표면이 노출될 때까지 평탄화하여, 상기 제 3 절연 스페이서들(283) 사이에 상기 상부 소오스부(110)과 콘택되는 스토리지 노드 콘택 패드(284)를 형성한다.1K, 2F, and 3V, a contact pad conductive layer is stacked to sufficiently fill the space between the third insulating
이어서, 상기 스토리지 노드 콘택 패드(284)가 형성된 기판 상에 스토리지 노드 전극막을 적층하고, 상기 전극막을 패터닝하여 상부 스토리지 노드 전극(285)을 형성한다. 상기 전극막은 n형 불순물이 도핑된 폴리실리콘막, 티타늄막, 니켈막, 티타늄 질화막 또는 루테늄막일 수 있다.Subsequently, a storage node electrode layer is stacked on the substrate on which the storage
도 1l, 도 2f 및 도 3w를 참조하면, 상기 상부 스토리지 노드 전극(285)의 표면들 및 상기 제 4 층간 절연막(280) 상에 상부 유전체막(290)을 적층하고, 상기 유전체막(290) 상에 상기 상부 스토리지 노드 전극(285)들을 감싸는 플레이트 전극(295)을 형성한다.1L, 2F, and 3W, an
이하, 도 1l, 도 2f 및 도 3w를 다시 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자를 설명한다.Hereinafter, a semiconductor device according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1L, 2F, and 3W.
먼저 기판(100)이 제공된다. 상기 기판(100)은 지지기판(101) 및 상기 지지기판(101) 상에 위치하는 절연층(102)을 구비한다. 상기 기판(101)은 SOI 기판일 수 있고, 이 경우, 상기 절연층(102)은 SOI 기판의 매립 절연층일 수 있다.First, the
상기 기판(100) 즉, 상기 절연층(102) 상에 제1방향 및 상기 제1방향에 교차하는 제2방향으로 배열되고, 반도체 물질로 형성된 필라들이 위치한다. 상기 제1방향은 도 2f의 A-A 방향과 평행한 X축 방향일 수 있고, 상기 제2방향은 도 2f의 B-B 방향과 평행한 Y축 방향일 수 있다. 상기 각 필라는 하부 채널부(122), 상부 채널부(112) 및 상기 하부 채널부(122)과 상기 상부 채널부(112) 사이에 위치하는 공통 드레인부(120)를 구비한다. 상기 공통 드레인부(120)는 불순물이 주입된 공통 드레인 영역(120a)을 구비한다. 상기 하부 채널부(122)의 외주에 상기 하부 채널부(122)를 둘러싸는 하부 게이트 전극(225)이 위치하며, 상기 상부 채널부(112)의 외주에 상기 상부 채널부(112)를 둘러싸는 상부 게이트 전극(215)이 위치한다.Pillars formed on the
상기 필라는 상기 하부 채널부(122)의 하부로 연장된 서브 필라를 더 구비할 수 있다. 상기 서브 필라는 하부 소오스부(130)일 수 있다. 또한, 상기 필라는 상기 상부 채널부(112)의 상부로 연장된 서브 필라를 더 구비할 수 있다. 상기 상부 채널부(112)의 상부로 연장된 서브 필라는 상부 소오스부(110)일 수 있다. 따라서, 상기 필라는 서로 연장되어 연결된 상부 소오스부(110), 상부 채널부(112), 공통 드레인부(120), 하부 채널부(122) 및 하부 소오스부(130)를 구비할 수 있다.The pillar may further include a sub pillar extending below the
상기 상부 소오스부(110), 상기 상부 채널부(112), 상기 상부 채널부(112)의 측벽 상에 형성된 상부 게이트 전극(215), 상기 공통 드레인부(120)는 상부 트랜지스터(도 4의 TH)를 형성한다. 마찬가지로, 상기 하부 소오스부(130), 상기 하부 채널부(122), 상기 하부 채널부(122)의 측벽 상에 형성된 하부 게이트 전극(225), 상기 공통 드레인부(120)는 하부 트랜지스터(도 4의 TL)를 형성한다. 도시된 바와 같이, 상부 트랜지스터(도 4의 TH)와 상기 하부 트랜지스터(도 4의 TL)는 수직 채널 트랜지스터이다. 결과적으로, 하나의 필라에 드레인을 공유하는 두개의 수직 채널 트랜지스터들이 형성된다. 이와는 달리, 상기 필라는 상기 하부 소오스부(130) 및 상기 상부 소오스부(110)를 구비하지 않을 수도 있다. 이 경우, 상기 상부 채널부(112)의 상부 일부에 상부 소오스영역을 형성하여 상기 상부 소오스부(110)의 역할을 대신할 수 있도록 할 수 있고, 후술하는 하부 스토리지 노드 전극부의 상부 일부가 상기 하부 소오스부(130)의 역할을 대신할 수 있도록 할 수 있다. 그러나, 상기 하부 소오스부(130) 및 상기 상부 소오스부(110)를 형성함으로써, 안정적인 소자동작을 구현할 수 있다.The
상기 하부 게이트 전극(225)과 상기 하부 채널부(122) 사이에는 하부 게이트 절연막(222)이 개재되고, 상기 하부 게이트 절연막(222)은 연장되어 상기 하부 게이트 전극(225)과 상기 공통 드레인부(120) 사이 및 상기 하부 게이트 전극(225)과 상기 하부 소오스부(130) 사이에도 위치한다. 마찬가지로, 상기 상부 게이트 전극(215)과 상기 상부 채널부(112) 사이에는 상부 게이트 절연막(212)이 개재되고, 상기 상부 게이트 절연막(212)은 연장되어 상기 상부 게이트 전극(215)과 상기 공통 드레인부(120) 사이 및 상기 상부 게이트 전극(215)과 상기 상부 소오스부(110) 사이에도 위치한다.A lower
상기 필라는 상기 하부 소오스부(130)의 하부로 연장된다. 상기 하부 소오스부(130)의 하부로 연장된 영역은 하부 스토리지 노드 전극부(140)일 수 있다. 상기 하부 스토리지 노드 전극부(140)에 주입된 불순물의 농도는 상기 하부 소오스부(130)에 주입된 불순물의 농도에 비해 높은 것이 바람직하다.The pillar extends below the
상기 하부 스토리지 노드 전극부(140)의 외주에 상기 하부 스토리지 노드 전극부(140)를 둘러싸는 하부 플레이트 전극(245)이 제공된다. 상기 하부 스토리지 노드 전극부(140)와 상기 하부 플레이트 전극(245) 사이에 유전막 스페이서(242)가 개재된다. 따라서, 상기 하부 스토리지 노드 전극부(140), 상기 유전막 스페이서(242) 및 상기 하부 플레이트 전극(245)은 하부 캐패시터(도 4의 CL)를 형성한다. 나아가, 상기 하부 플레이트 전극(245)은 연장되어 상기 하부 스토리지 노드 전극부들(140) 사이에도 위치하고, 나아가 복수개의 하부 스토리지 노드 전극부들(140)의 외주를 둘러싸도록 형성된다. 이러한 상기 하부 플레이트 전극(245)은 도 4에 도시한 하부 플레이트 전극 라인(P/LL)에 해당할 수 있다.A
한편, 상기 상부 소오스부(110)의 상부에 상부 스토리지 노드 전극(285)이 위치할 수 있다. 나아가, 상기 상부 소오스부(110)와 상기 상부 스토리지 노드 전극(285) 사이에 스토리지 노드 콘택 패드(284)가 위치할 수 있다. 이와는 달리, 상기 상부 스토리지 노드 전극(285)과 상기 스토리지 노드 콘택 패드(284)는 일체로 형성될 수 있다. 상기 상부 스토리지 노드 전극(285) 상에 상기 상부 스토리지 노드 전극(285)을 감싸는 상부 플레이트 전극(295)이 제공된다. 상기 상부 스토리지 노드 전극(285)과 상부 플레이트 전극(295) 사이에는 상부 유전체막(290)이 개재된다. 따라서, 상기 상부 스토리지 노드 전극(285), 상기 상부 유전체막(290) 및 상기 상부 플레이트 전극(295)은 상부 캐패시터(도 4의 CH)를 형성한다. 또한, 상기 상부 플레이트 전극(295)은 연장되어 상기 상부 스토리지 노드 전극들(285) 사이에도 위치하고, 나아가 복수개의 상부 스토리지 노드 전극들(285)을 감싸도록 형성된다. 따라서, 상기 상부 플레이트 전극(295)은 도 4에 도시한 상부 플레이트 전극 라인(P/LH)에 해당할 수 있다.The upper
한편, 상기 하부 플레이트 전극(245) 상부에 상기 X축 방향으로 배열된 필라들의 하부 게이트 전극(225)들에 접속하는 하부 워드라인(255, 도 4의 W/LL)이 제공된다. 바람직하게는 상기 하부 워드라인(255)은 상기 하부 게이트 전극(225)의 외주를 둘러싸는 형태를 갖는다. 상기 하부 워드라인(255)은 상기 유전막 스페이서(242)에 의해서 상기 하부 소오스부(130)와 절연되며, 상기 하부 플레이트 전극(245) 상에 위치하는 제 1 층간 절연막(250)에 의해서 상기 하부 플레이트 전극(245)과 절연된다.Meanwhile, a lower word line 255 (W / L L of FIG. 4) is provided on the
상기 하부 워드라인(255) 및 상기 하부 플레이트 전극(245) 상부에 상기 하부 워드라인(255)과 교차하는 비트 라인(265, 도 4의 B/L)이 제공된다. 상기 비트 라인(265)은 상기 Y축 방향으로 배열된 필라들의 공통 드레인부(120)들에 접속한다. 바람직하게는 상기 비트 라인(265)은 상기 공통 드레인부(120)의 외주를 둘러싸는 형태를 갖는다. 상기 비트라인(265)은 상기 제 1 층간 절연막(250)에 의해서 상기 하부 플레이트 전극(245)과 절연되며, 상기 하부 워드라인(255) 상에 위치하는 제 2 층간절연막(260)에 의해서 상기 하부 워드라인(255)과 절연되며, 제 2 층간절연막(260) 및 절연 스페이서(217)에 의해서 상기 하부 게이트 전극(225)와 절연된다.A bit line 265 (B / L of FIG. 4) intersecting the
상기 비트라인(265) 및 상기 하부 워드라인(255) 상부에 상기 하부 워드라인(255)과 평행하게 배열된 상부 워드라인(275)이 제공된다. 상기 상부 워드라인 (275)은 상기 X축 방향으로 배열된 필라들의 상부 게이트 전극(215)들에 접속한다. 바람직하게는, 상기 상부 워드라인(275)은 상기 상부 게이트 전극(215)의 외주를 둘러싸는 형태를 갖는다. 또한, 상기 상부 워드라인(275)은 상기 제 2 층간절연막(260)에 의해서 상기 하부 워드라인(255)과 절연되며, 상기 비트라인(265) 상에 위치하는 제 3 층간절연막(270)에 의해서 상기 비트라인(265) 및 상기 공통 드레인부(120)와 절연된다.An
상술한 바와 같이, 하나의 필라가 두 개의 수직 채널 트랜지스터들을 구비함으로써, 종래 하나의 필라에 하나의 수직 채널 트랜지스터를 형성한 경우에 비해 소자의 평면적이 1/2로 감소한다. 나아가, 이를 하나의 트랜지스터와 하나의 캐패시터를 구비하는 DRAM 소자에 적용할 경우, 하나의 단위 셀 영역(도 2a의 C)에 두 개의 셀이 상하부로 위치하게 된다. 즉, 4F2 제곱 피쳐 사이즈에 두 개의 셀이 상하부로 위치하게 되므로, 하나의 셀이 차지하는 제곱 피쳐 사이즈는 2F2가 된다. 결과적으로 DRAM 소자의 집적도를 현격하게 향상시킬 수 있다.As described above, since one pillar includes two vertical channel transistors, the planar area of the device is reduced to 1/2 compared with the case of forming one vertical channel transistor in one pillar. Furthermore, when this is applied to a DRAM device having one transistor and one capacitor, two cells are positioned up and down in one unit cell region (C of FIG. 2A). That is, since two cells are positioned up and down in the 4F 2 square feature size, the square feature size occupied by one cell becomes 2F 2 . As a result, the degree of integration of the DRAM device can be significantly improved.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 하나의 필라가 두 개의 수직 채널 트랜지스터들을 구비함으로써 소자의 평면적을 감소시킬 수 있으며, 나아가 이를 DRAM 소자에 적용할 경우 DRAM 소자의 집적도를 현격하게 향상시킬 수 있다.As described above, according to the present invention, one pillar may include two vertical channel transistors, thereby reducing the planar area of the device, and further increasing the integration degree of the DRAM device when applied to the DRAM device.
Claims (33)
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