KR100774788B1 - 반도체 소자의 제조방법 및 구조 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 제조방법 및 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 핫 전자에 의한 펀치쓰루 현상을 방지할 수 있는 반도체 소자의 제조방법 및 구조에 관한 것이다.
본 발명의 반도체 소자의 제조방법은 셀로우 트랜치 아이솔래이션 방식으로 소자 분리막을 형성하여 액티브 영역을 구현하는 STI 단계; 실리콘 질화막을 증착하는 증착 단계; 필드 영역과 인접한 액티브 영역의 일부분이 노출되도록 상기 실리콘질화막을 패터닝하는 부분 사진/식각 단계; 상기 실리콘질화막을 마스크로 하여 필드 영역과 인접한 액티브 영역의 일부분을 산화시키는 부분 산화 단계; 상기 실리콘질화막을 제거하는 질화막 제거단계; 그리고 게이트절연막을 형성한 후 게이트막을 증착하고나서 게이트를 패터닝하는 게이트 형성단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 제조방법 및 구조에 의하면 액티브 영역과 소자분리 영역의 경계면에 게이트 절연막보다 두꺼운 절연막을 구비함으로써 핫 전자에 의한 펀치쓰루 현상을 방지하여 반도체 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
핫 캐리어 효과(hot carrier effect), 단 채널 효과(short channel effect), HEIP(hot electron induced punch-through), STI(shallow trench isolation)
Description
도 1은 종래의 기술에 따른 게이트 채널 가장자리에 형성된 탭을 보여주기 위한 레이아웃도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 소자의 레이아웃도,
도 3a 내지 도 3d는 도 2의 AA'선을 잘라서 본 반도체 소자의 제조방법을 설명하는 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 : 탭 20 : 액티브 영역, 실리콘 기판
21 : 트랜치 마스크 22 : 에지 마스크
30 : 필드 영역, 필드 절연막 40 : 실리콘질화막
50 : 게이트절연막 60 : 게이트
본 발명은 반도체 소자의 제조방법 및 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 핫 전자에 의한 펀치쓰루 현상을 방지할 수 있는 반도체 소자의 제조방법 및 구조에 관한 것이다.
일반적으로 전계효과 반도체 소자에서 캐리어(전자 또는 정공)가 주위의 온도에 의해 얻을 수 있는 것보다 더 많은 운동 에너지(kinetic energy)를 얻을 수 있는데 이러한 캐리어를 '핫 캐리어(hot carrier)'라고 부른다.
핫 캐리어 효과(hot carrier effect)는 주로 핫 전자(hot electron)에 의해서 기판전류, 게이트 전류, 인터페이스 트랩(interface trap) 등을 발생시키는 것을 말한다.
이러한 핫 캐리어 효과는 최근 고집적화에 따른 반도체 소자의 크기가 급속히 감소함에 따라, 특히 단 채널 소자(short channel device)의 경우 더욱 심각한 영향을 미친다.
한편 종래의 능동 소자를 분리시키는 소자 분리막은 LOCOS(local oxidation of silicon) 방식에 의하여 수행되어 왔으나, 최근 셀로우 트랜치 아이솔래이션(shallow trench isolation, 이하 'STI'라 한다) 방식으로 소자 분리막을 형성하는 방식이 도입되어 적용범위가 확대되고 있다.
상기 STI 방식은 반도체 기판에 분리 영역을 구획하는 트랜치(trench)를 형성하고, 상기 트랜치 내부를 절연 물질로 매립하여 소자 분리막을 형성하는 기술이다.
이러한 STI 방식에 의한 소자 분리막 형성방법은 형성되는 활성영역의 가장 자리 부분에 각을 형성하게 되며, 이곳에서 전계 집중 효과(electric field crowding effect)가 발생한다.
특히 P-채널 반도체 소자의 경우 액티브 영역 가장자리를 지나가는 게이트 영역에서 전계 집중 효과로 인해 HEIP(hot electron induced punch-through, 이하 'HEIP'라 한다) 현상이 발생한다.
상기 HEIP 현상은 소자 분리막의 트랩 사이트에 포획된 핫 전자에 의하여 채널 길이는 실질적으로 감소하게 되며, 특히 단 채널 소자에 있어서 결국 소스의 공핍 영역과 드레인의 공핍 영역이 서로 만나게 되는 현상을 말한다.
이러한 HEIP 현상으로 인한 반도체 소자의 특성 열화를 극복하기 위해 여러 가지 방법들이 시도되고 있다. 예컨대, 첨부된 도 1에 도시한 바와 같이 게이트 채널 가장자리에 탭(tab)(10)을 붙여 게이트의 가장자리 부분만 선택적으로 게이트 길이가 늘어난 효과를 주는 방법이 대한민국 공개특허 제10-2006-0025069 또는 대한민국 공개특허 제10-2006-0080175에 소개되어 있다.
그러나 이웃한 게이트 사이의 간격이 충분하지 않으면, 게이트끼리 서로 연결되는 문제가 발생하고, 또 게이트 탭의 라운딩 현상으로 인해 게이트 길이가 길어지는 효과가 충분하지 않다는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상술한 제반 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 액티브 영역과 소자분리 영역의 경계면에 게이트 절연막보다 두꺼운 절연막을 형성하여 핫 전자에 의한 펀치쓰루 현상을 방지할 수 있는 반도체 소자의 제조방법 및 구조를 제공함에 그 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 반도체 소자의 제조방법은 셀로우 트랜치 아이솔래이션 방식으로 소자 분리막을 형성하여 액티브 영역을 구현하는 STI 단계; 실리콘 질화막을 증착하는 증착 단계; 필드 영역과 인접한 액티브 영역의 일부분이 노출되도록 상기 실리콘질화막을 패터닝하는 부분 사진/식각 단계; 상기 실리콘질화막을 마스크로 하여 필드 영역과 인접한 액티브 영역의 일부분을 산화시키는 부분 산화 단계; 상기 실리콘질화막을 제거하는 질화막 제거단계; 그리고 게이트절연막을 형성한 후 게이트막을 증착하고나서 게이트를 패터닝하는 게이트 형성단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 증착 단계는 1000 ~ 2000Å 두께의 실리콘질화막을 증착하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 반도체 소자의 구조는, P 또는 N 형의 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판의 측면을 둘러싸면서 형성된 필드 절연막; 상기 실리콘 기판의 상면에 형성된 게이트 절연막; 및 상기 게이트 절연막의 상면에 형성된 게이트;로 이루어진 반도체 소자의 구조에 있어서, 상기 게이트 절연막은 상기 필드 절연막과 인접한 가장자리 부분이 가운데 부분보다 두껍게 형성되는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작 용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 소자의 레이아웃도이고, 도 3a 내지 도 3d는 도 2의 AA'선을 잘라서 본 반도체 소자의 제조방법을 설명하는 단면도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법은 STI 단계, 증착 단계, 부분 사진/식각 단계, 부분 산화 단계, 질화막 제거단계 그리고 게이트 형성단계를 포함하여 이루어져 있다.
첨부된 도 2 또는 도 3a를 참조하면, 상기 STI 단계는 셀로우 트랜치 아이솔래이션 방식으로 소자 분리막을 형성하여 액티브 영역을 구현하는 단계이다. 즉 트랜치 사진/식각 공정을 수행한 후 필드 절연막 매립공정과 화학적기계적 연마 공정에 의하여 액티브 영역(20) 및 필드 영역(30)을 구획하는 단계이다.
상기 증착 단계는 실리콘 질화막을 증착하는 단계이다. 이 단계에서 증착되는 실리콘질화막(40)은 선택적 산화 공정에서 마스크 역할을 하기 위한 것으로서, 실리콘질화막(40)의 하부에는 산화막이 형성되지 않는 특성을 이용하는 것이다. 필요에 따라서는 실리콘 기판에 가해지는 스트레스(stress)를 완화하기 위해 상기 실리콘질화막(10)의 하부에 실리콘산화막을 형성시키는 것도 가능하다.
첨부된 도 3b를 참조하면, 상기 부분 사진/식각 단계는 필드 영역과 인접한 액티브 영역의 일부분이 노출되도록 상기 실리콘질화막을 패터닝하는 단계이다. 따라서 이 단계에서 사용되는 마스크는 상기 트랜치 사진/식각 공정에서 사용된 마스 크보다 작은 마스크를 사용해야 한다. 예를 들어 첨부된 도 2는 상기 트랜치 사진/식각 공정에서 사용되는 트랜치 마스크(21)와 부분 사진/식각 공정에서 사용되는 에지 마스크(22)의 크기 차이를 보여준다.
첨부된 도 3c를 참조하면, 상기 부분 산화 단계는 상기 실리콘질화막을 마스크로 하여 필드 영역과 인접한 액티브 영역의 일부분(30a)을 산화시키는 단계이다. 이 단계에서 사용되는 실리콘질화막(40)은 막의 밀도가 커서 산화제의 침투와 확산이 어렵기 때문에 선택적 산화 공정(selective oxidation process)에서 마스크의 역할을 한다.
상기 질화막 제거단계는 상기 실리콘질화막을 제거하는 단계이다. 이 단계에서 실리콘질화막(40)의 제거는 통상적으로 사용되는 고온의 인산용액(hot phosphoric acid)에 의한 습식제거 방식으로 제거하는 것이 바람직하다.
첨부된 도 3d를 참조하면, 상기 게이트 형성단계는 게이트절연막(50)을 형성한 후 게이트막(60)을 증착하고나서 게이트를 패터닝하는 단계이다. 이 단계 이후로 진행되는 공정은 통상의 반도체 소자의 제조 공정과 다를 바 없으므로 상세한 설명은 생략한다.
따라서 상기 부분 산화 단계에서 형성된 실리콘산화막(이하 '에지 산화막'이라 한다)(30a)이 상기 액티브 영역의 가장자리 부분에 존재하며 또한 상기 에지 산화막(30a)은 게이트절연막(50)보다 두껍게 형성되기 때문에 적당한 문턱전압(threshold voltage)이 게이트에 가해지는 경우 상기 에지 산화막의 하부에는 채널(channel)이 형성되지 않고 에지 산화막의 내부에 존재하는 게이트절연막(50)의 하부에만 채널이 형성되어 전류가 흐르게 된다.
그러므로, 특히 P채널 반도체 소자의 경우 액티브 영역 가장자리를 지나가는 게이트 영역에서 필드 크라우딩 효과로 인한 HEIP 현상을 억제할 수 있는 것이다. 즉, 게이트 절연막의 두께 차이를 이용하여 전류가 액티브 영역의 가장자리에서는 흐르지 않고 액티브 영역의 내부에서만 흐르도록 하여 HEIP 현상을 방지하여 반도체 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 것이다.
본 발명의 다른 일실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법에서 상기 증착 단계는 1000 ~ 2000Å 두께의 실리콘질화막(40)을 증착하는 것이 바람직하다. 따라서 선택적 산화 공정에서 1000 ~ 2000Å 두께의 실리콘질화막(40)은 산화제의 침투와 확산 방지막으로서 최적의 두께가 형성되는 것이다.
첨부된 도 3d에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 소자의 구조는 실리콘 기판(20), 필드 절연막(30), 게이트절연막(50) 및 게이트(60)를 포함하여 이루어져 있다.
상기 실리콘 기판(20)은 P 또는 N 형의 불순물로 도핑된 단결정 실리콘으로 이루어져 있으며, 상기 필드 절연막(30)은 상기 실리콘 기판의 측면을 둘러싸면서 형성된 것으로서 능동소자 사이에서 전기적인 분리(isolation)를 수행하는 역할을 한다.
상기 게이트 절연막(50)은 상기 실리콘 기판의 상면에 형성된 절연물질로 이루어진 막이고, 상기 게이트(60)는 상기 게이트 절연막의 상면에 형성된 전도성 물질로 이루어진 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 반도체 소자의 구조에서, 상기 게이트 절연막은 상기 필드 절연막과 인접한 가장자리 부분(30a)이 가운데 부분보다 두껍게 형성되어 이루어진 것이다.
따라서, 특히 p채널 반도체 소자의 경우 HEIP 현상으로 인한 열화 문제를 방지할 수 있게 된다. 즉 종래의 기술은 첨부된 도 1과 같이 액티브 영역과 소자분리 영역의 경계부분에 게이트 탭을 형성하여 채널 길이(channel length)가 길어지는 효과를 통해 HEIP문제를 해결하는데 비해서, 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 소자의 구조에서는 게이트 절연막의 가장자리 부분을 가운데 부분보다 두껍게 형성하여 채널 폭(channel width)이 줄어드는 효과를 이용하여 HEIP문제를 해결하는 것이다.
본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정·변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조방법 및 구조에 의하면 액티브 영역과 소자분리 영역의 경계면에 게이트 절연막보다 두꺼운 절연막을 구비함으로써 핫 전자에 의한 펀치쓰루 현상을 방지하여 반도체 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
Claims (3)
- 셀로우 트랜치 아이솔래이션 방식으로 소자 분리막을 형성하여 액티브 영역을 구현하는 STI 단계; 실리콘 질화막을 증착하는 증착 단계; 필드 영역과 인접한 액티브 영역의 일부분이 노출되도록 상기 실리콘질화막을 패터닝하는 부분 사진/식각 단계; 상기 실리콘질화막을 마스크로 하여 필드 영역과 인접한 액티브 영역의 일부분을 산화시키는 부분 산화 단계; 상기 실리콘질화막을 제거하는 질화막 제거단계; 그리고 게이트절연막을 형성한 후 게이트막을 증착하고나서 게이트를 패터닝하는 게이트 형성단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 증착 단계는 1000 ~ 2000Å 두께의 실리콘질화막을 증착하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
- P 또는 N 형의 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판의 측면을 둘러싸면서 형성된 필드 절연막; 상기 실리콘 기판의 상면에 형성된 게이트 절연막; 및 상기 게이트 절연막의 상면에 형성된 게이트;로 이루어진 반도체 소자의 구조에 있어서, 상기 게이트 절연막은 상기 필드 절연막과 인접한 가장자리 부분이 가운데 부분보다 두 껍게 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 구조.
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