KR100665899B1 - 반도체 소자의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 STAR(STep gated Asymmetric Recess) 공정을 이용한 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명은 액티브 영역과 필드 영역으로 정의되는 반도체 기판을 제공하는 단계; 상기 반도체 기판 상에 패드 산화막과 패드 질화막을 순차적으로 증착하는 단계; 상기 패드 질화막, 상기 패드 산화막 및 상기 반도체 기판의 일부를 식각하여 상기 필드 영역에 트렌치를 형성하는 단계; 상기 트렌치가 매립되도록 소자 분리막을 증착하는 단계; 상기 패드 질화막을 제거하여 상기 패드 산화막을 노출시키는 단계; 상기 패드 산화막 상에 중앙부를 제외한 모든 부위가 오픈된 식각 마스크를 형성하는 단계; 상기 식각 마스크를 이용한 식각공정을 실시하여 상기 액티브 영역의 중앙부에 돌출부를 형성하는 단계; 상기 식각 마스크와 상기 패드 산화막을 제거하는 단계; 상기 필드 영역과 상기 액티브 영역에 각각 복수의 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.
반도체 소자, STAR, 게이트 전극

Description

반도체 소자의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE}
도 1은 종래기술에 따른 반도체 소자의 게이트 전극를 도시한 평면도.
도 2는 도 1에 도시된 'A-A' 절단선을 따라 도시한 단면도.
도 3 및 도 4는 종래기술에 따른 반도체 소자의 제조방법을 통해 형성된 게이트 전극의 기울어짐 현상을 설명하기 위하여 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자의 게이트 전극의 평면도.
도 6a 내지 도 6g는 도 5에 도시된 'A-A' 절단선을 따라 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 도시한 단면도.
도 7은 도 5에 도시된 'B-B' 절단선을 따라 도시한 단면도.
도 8은 도 5에 도시된 'C-C' 절단선을 따라 도시한 단면도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1, 101 : 액티브 영역
2, 102 : 필드 영역
10, 110 : 반도체 기판
11, 114 : HDP 산화막
111 : 패드 산화막
112 : 패드 질화막
113 : 트렌치
115 : 포토 레지스트
115a : 포토 레지스트 패턴(또는, STAR 마스크)
116 : 돌출부
117 : 폴리 실리콘막
118 : 텅스텐층(또는, 텅스텐 실리사이드층)
119 : 하드 마스크
120 : 게이트 전극
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히, STAR(STep gated Asymetric Recess) 공정을 이용한 반도체 소자의 게이트 전극 형성방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 소자는 그 내부에 다수의 단위 소자들을 포함한다. 이러한 반도체 소자가 고집적화되어 감에 따라 일정한 셀(cell) 면적 상에 고밀도로 소 자들을 형성하여야 하며, 이로 인하여 단위 소자, 예컨대 트랜지스터와 캐패시터들의 크기는 점차 감소하게 되었다. 특히, DRAM과 같은 반도체 메모리 소자에서 디자인 룰(design rule)이 감소하면서 셀의 내부에 형성되는 반도체 소자들의 크기가 점차 감소하고 있다. 실제로, 최근에는 DRAM 소자의 최소 선폭은 0.1㎛이하로 형성되며, 100nm 이하까지 요구되고 있다. 이러한 좁아진 디자인 룰에 의해 채널의 길이가 짧아지고 있으며, 이것은 리프레시 타임(refresh time)을 감소시키는 결과를 초래하게 되었다.
최근에는 DRAM 소자의 제조공정에서 트랜지스터의 채널 길이를 증가시키기 위한 일환으로 STAR(STep gated Asymetric Recess) 공정이 제안되어 사용되고 있다. 일반적인 STAR 공정을 이용한 게이트 전극 형성방법을 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하기로 한다. 여기서, 도 1은 평면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 'A-A' 절단선을 따라 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, STI(Shallow Trench Isolation) 공정을 실시하여 반도체 기판(10)의 일부 영역 즉, 필드 영역(2)에 트렌치(trench, 미도시)를 형성한다. 그런 다음, 트렌치가 매립되도록 HDP(High Density Plasma) 산화막(11)을 증착하여 소자 분리막(11)을 형성한다. 그런 다음, HDP 산화막(11)을 포함하는 전체 구조 상부에 포토 레지스트(미도시)를 도포한 후 포토 마스크(미도시)를 이용한 노광 및 현상공정을 순차적으로 실시하여 포토 레지스트 패턴(이하, STAR 마스크라 함)을 형성한다. 그런 다음, STAR 마스크를 이용한 식각공정을 실시하여 오픈되는 필드 영역(2)의 HDP 산화막(11)과 액티브 영역(1)의 기판(10)을 리 세스(recess)시킨다. 이로써, 액티브 영역(1)의 중앙부에는 양측에 굴곡부가 형성된 돌출부(12)가 형성된다. 그런 다음, 돌출부(12) 양측의 굴곡부와 각각 중첩되도록 게이트 산화막, 폴리 실리콘막, 텅스텐 및 하드 마스크를 증착한 후 식각하여 게이트 전극(13)을 형성한다.
그러나, 상술한 종래기술에 따른 STAR 공정에서 사용되는 STAR 마스크는 도 1에 도시된 바와 같이 오픈(open)되는 영역(A1)이 액티브 영역(1)의 일부(즉, 중앙부분 제외)와 필드 영역(2)의 일부까지 확장된다. 이에 따라, 이러한 STAR 마스크를 이용한 식각공정을 실시하는 경우 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 액티브 영역(1)의 일부와 필드 영역(2)의 일부가 스트레이트 라인(straight line) 형태로 리세스된 프로파일(profile)을 얻게 된다.
이에 따라, 후속 공정을 통해 형성되는 게이트 전극(13)이 항상 한쪽은 높고, 다른 한쪽은 낮게 형성된다. 이로 인하여, 도 4에 도시된 바와 같이 후속 어닐링(annealing) 공정 등에서 게이트 전극 양쪽의 수축률 차이로 인해 게이트 전극이 한쪽으로 기울어지게 된다. 이처럼 게이트 전극이 한쪽으로 기울어지는 경우에는 후속 공정에서 진행되는 갭 필(gap fill) 공정과 같은 매립공정 등이 어려워지거나, 컨택(contact) 면적이 감소하여 이 부위에서 컨택저항을 증가시키는 원인이 된다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으 로서, 후속 열처리 공정시 수축률 차이로 인한 게이트 전극의 기울어짐 현상을 방지하여 후속 공정을 안정적으로 진행할 수 있도록 제공하는 반도체 소자의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 일측면에 따른 본 발명은, 액티브 영역과 필드 영역으로 정의되는 반도체 기판을 제공하는 단계와, 상기 반도체 기판 상에 패드 산화막과 패드 질화막을 순차적으로 증착하는 단계와, 상기 패드 질화막, 상기 패드 산화막 및 상기 반도체 기판의 일부를 식각하여 상기 필드 영역에 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 트렌치가 매립되도록 소자 분리막을 증착하는 단계와, 상기 패드 질화막을 제거하여 상기 패드 산화막을 노출시키는 단계와, 상기 패드 산화막 상에 중앙부를 제외한 모든 부위가 오픈된 식각 마스크를 형성하는 단계와, 상기 식각 마스크를 이용한 식각공정을 실시하여 상기 액티브 영역의 중앙부에 돌출부를 형성하는 단계와, 상기 식각 마스크와 상기 패드 산화막을 제거하는 단계와, 상기 필드 영역과 상기 액티브 영역에 각각 복수의 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
실시예
도 5, 도 6a 내지 도 6g는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위하여 도시한 단면도들이다. 여기서, 도시된 도 5는 평면도이고, 도 6a 내지 도 6g는 도 5에 도시된 'A-A' 절단선을 따라 도시한 단면도들이다
도 5 및 도 6a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(110) 상에 패드 산화막(111)과 패드 질화막(112)을 순차적으로 증착한다. 이때, 패드 질화막(112)은 후속 제거공정시 트렌치(113) 상부 모서리 부위가 움푹 들어간 형태로 홈, 즉 모트(moat)가 발생되지 않도록 후속 공정을 고려하는 범위 내에서 비교적 얇게 증착하는 것이 바람직하다.
이어서, STI 공정을 실시하여 반도체 기판(110)의 일부 영역 즉, 필드 영역(102)에 트렌치(113)를 형성한다.
이어서, 트렌치(113)를 포함하는 전체 구조 상부의 단차를 따라 질화막(미도시)을 증착할 수 있다.
이어서, 도 6b에 도시된 바와 같이, 트렌치(113)가 갭 필링되도록 전체 구조 상부에 소자 분리막용 산화막으로 매립 특성이 우수한 HDP(High Density Plasma) 산화막(114)을 증착한다.
이어서, HDP 산화막(114)을 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정과 같은 전면 식각공정으로 평탄화한다.
이어서, 도 6c에 도시된 바와 같이, 인산을 이용한 식각공정 및/또는 세정공정을 통해 액티브 영역(101)에 잔류되어 있는 패드 질화막(112)을 식각하여 제거한 다.
이어서, 도 6d에 도시된 바와 같이, 패드 질화막(112)이 제거된 전체 구조 상부를 포함하는 전체 구조 상부에 포토 레지스트(115)를 도포한다.
이어서, 도 6e에 도시된 바와 같이, 포토 마스크를 이용한 노광 및 현상공정을 실시하여 포토 레지스트 패턴(115a)(이하, STAR 마스크라 함)을 형성한다. 이때, STAR 마스크(115a)는 액티브 영역(101)의 중앙부를 제외한 모든 영역이 오픈되도록 형성된다.
이어서, 도 6f에 도시된 바와 같이, STAR 마스크(115a)를 이용한 식각공정을 실시하여 액티브 영역(101)의 중앙부를 제외한 노출되는 부위를 동일하게 식각하여 리세스시킨다.
이어서, 도 6g에 도시된 바와 같이, 스트립 공정 및/또는 세정공정을 실시하여 STAR 마스크(115a)와 패드 산화막(11)을 제거하여 액티브 영역(101)의 중앙부에 돌출부(116)를 형성한다.
이어서, STAR 마스크(115a)가 제거된 전체 구조 상부에 게이트 산화막(미도시), 폴리 실리콘막(117), 텅스텐(또는, 텅스텐 실리사이드층)(118) 및 하드 마스크(119)를 증착한 후 식각하여 도 6g에 도시된 바와 같은 게이트 전극(120)을 형성한다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자의 게이트 전극 형성방법을 적용하는 경우 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 필드 영역(102) 상에서는 안정적인 프로파일을 갖는 게이트 전극(120)을 형성할 수 있 다.
본 발명의 기술 사상은 바람직한 실시예들에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 액티브 영역의 중앙부를 제외한 모든 부위가 오픈되는 STAR 마스크를 이용하여 STAR 공정을 진행함으로써 평탄화된 필드 영역을 얻을 수 있으며, 이를 통해 후속 공정을 통해 필드 영역에 형성되는 게이트 전극의 기울어짐 현상을 방지할 수 있다. 따라서, 후속 공정을 안정적으로 진행하는 것이 가능하다.

Claims (3)

  1. 액티브 영역과 필드 영역으로 정의되는 반도체 기판을 제공하는 단계;
    상기 반도체 기판 상에 패드 산화막과 패드 질화막을 순차적으로 증착하는 단계;
    상기 패드 질화막, 상기 패드 산화막 및 상기 반도체 기판의 일부를 식각하여 상기 필드 영역에 트렌치를 형성하는 단계;
    상기 트렌치가 매립되도록 소자 분리막을 증착하는 단계;
    상기 패드 질화막을 제거하여 상기 패드 산화막을 노출시키는 단계;
    상기 패드 산화막 상에 중앙부를 제외한 모든 부위가 오픈된 식각 마스크를 형성하는 단계;
    상기 식각 마스크를 이용한 식각공정을 실시하여 상기 액티브 영역의 중앙부에 돌출부를 형성하는 단계;
    상기 식각 마스크와 상기 패드 산화막을 제거하는 단계; 및
    상기 필드 영역과 상기 액티브 영역에 각각 복수의 게이트 전극을 형성하는 단계;
    를 포함하는 반도체 소자의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 필드 영역에 형성된 상기 게이트 전극은 상기 식각공정을 통해 평탄화된 상기 소자 분리막 상에 형성되는 반도체 소자의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 액티브 영역에 형성된 상기 게이트 전극은 일부가 상기 돌출부와 중첩되도록 형성되는 반도체 소자의 제조방법.
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