KR100780764B1 - Method of fabrication recess gate in semiconductor device - Google Patents
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Abstract
반도체소자의 리세스 게이트 형성방법에 관한 것으로 패드막 제거후 갭필산화막과 활성영역 간의 단차가 발생하고 패드막의 클리핑 현상에 의해 갭필산화막에 활성영역쪽으로 돌출되는 돌출부가 존재함에 의해 새도우 효과가 발생할 경우, 트렌치 하부 측벽에서 호른(horn) 형태의 레지듀가 발생한다. 이 레지듀의 발생을 방지하기 위하여 갭필산화막과 활성영역간의 단차를 감소시키도록 SOG박막 또는 포토레지스트막으로 버퍼(buffer)막을 형성하고, 식각으로 활성영역을 노출시킨 후, 리세스 게이트 트렌치 형성하여 리세스 게이트 식각시에 트렌치 하부측벽 에지(edge)에서 발생하는 호른 형태의 레지듀 생성이 억제되어 누설 전류의 발생이 억제되므로 반도체 소자 제조의 수율 및 신뢰성이 향상된다. A method of forming a recess gate of a semiconductor device, wherein a step between a gap fill oxide layer and an active region occurs after the pad layer is removed, and a shadow effect occurs due to the protrusion of the gap fill oxide layer protruding toward the active region due to the clipping of the pad layer. A horn shaped residue occurs at the trench bottom sidewalls. In order to prevent the occurrence of the residue, a buffer film is formed of an SOG thin film or a photoresist film to reduce the step difference between the gap fill oxide film and the active region, the active region is exposed by etching, and a recess gate trench is formed. Since the generation of the horn-type residue generated at the trench lower sidewall edge during the recess gate etching is suppressed, the generation of leakage current is suppressed, thereby improving the yield and reliability of semiconductor device manufacturing.
리세스 게이트, 호른(horn), 새도우잉 효과(shadowing effect), 트렌치 Recessed gate, horn, shadowing effect, trench
Description
도 1a 내지 도 1e는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 리세스 게이트 형성방법을 설명하기 위해 나타내 보인 단면도들이다. 1A to 1E are cross-sectional views illustrating a method of forming a recess gate of a semiconductor device according to the related art.
도2는 종래 기술에 따라 평탄화 공정 후를 나타내 보인 셈(SEM) 사진이다. FIG. 2 is a SEM photograph showing a planarization process according to the prior art. FIG.
도 3은 종래 기술에 따라 리세스 게이트를 식각한 후의 트렌치 프로파일을 나타내 보인 셈(SEM) 사진이다.3 is a SEM photograph showing a trench profile after etching a recess gate according to the related art.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명에 의한 반도체 소자의 리세스 게이트 형성방법을 설명하기 위해 나타내 보인 단면도들이다. 4A to 4F are cross-sectional views illustrating a method of forming a recess gate in a semiconductor device according to the present invention.
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<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
200 : 반도체 기판 201 : 활성영역200: semiconductor substrate 201: active region
202 : 패드산화막 203 : 패드질화막202: pad oxide film 203: pad nitride film
204 : 트렌치 205 : 사이드월산화막204
206 : 라이너질화막 및 라이너산화막206: liner nitride film and liner oxide film
207 : 갭필산화막 207a : 돌출부207: gap
209 : 버퍼막 210 : 리세스 게이트 트렌치 209: buffer film 210: recess gate trench
본 발명은 반도체소자의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 리세스 게이트 식각시에 트렌치의 에지에서 발생하는 호른(horn) 형태의 레지듀의 생성이 억제되는 반도체 소자의 리세트 게이트 형성방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method of forming a reset gate of a semiconductor device in which generation of a horn-shaped residue generated at the edge of a trench during the recess gate etching is suppressed. It is about.
최근 반도체소자의 집적도가 증가하고 디자인 룰(design rule)이 급격히 감소함에 따라 트랜지스터의 안정적인 동작을 확보하는데 어려움이 증가되고 있다. 예로 STI(Shallow Trench Isolation)지역의 트렌치 깊이는 깊어지고 활성영역간 스페이스는 줄어들어 STI 갭필은 점점 어려워지고 또한 소스와 드레인 사이의 채널 길이는 감소되고 있어 트랜지스터의 단채널화(short channel)가 급격히 진행되고 있다. 이러한 단채널화로 인하여 트랜지스터의 소스와 드래인 간에 펀치쓰루가 심각하게 발생되고 있으며, 이러한 펀치쓰루는 트랜지스터 소자 오동작의 주요 원인으로 인식되고 있다. 또한 기판의 도핑농도가 증가되며, 이와 같이 증가된 도핑농도는 전계와 접합누설전류의 증가를 유발하여 디램과 같은 메모리소자의 경우 충분한 데이터 리텐션 시간(data retention time)을 확보하기가 용이하지 않게 되었다. 이러한 단채널효과의 극복을 위해서 디자인 룰의 축소에도 불구하고 채널의 길이를 보다 더 확보하는 방법들이 다양하게 연구되고 있다. 특히 제한된 게이트 선폭에 대해서 채널의 길이를 보다 확장시켜 주는 구조로서 게이트 아래의 반도체기판을 리세스하여 채널의 길이를 보다 연장시켜 주는 구조로서 리세스된 게이트를 갖는 모스 트랜지스터를 형성하고자 하는 시도가 많이 이루어지고 있다. Recently, as the degree of integration of semiconductor devices has increased and design rules have sharply decreased, difficulty in securing stable operation of transistors has increased. For example, the trench trench in the shallow trench isolation (STI) region becomes deeper and the space between active regions decreases, making the STI gap fill increasingly difficult, and the channel length between the source and the drain decreasing, so that the short channel of the transistor proceeds rapidly. have. Due to such short channelization, punch through is seriously generated between the source and the drain of the transistor, and such punch through is recognized as a major cause of transistor device malfunction. In addition, the doping concentration of the substrate increases, and the increased doping concentration causes an increase in the electric field and the junction leakage current, so that it is not easy to secure sufficient data retention time in the case of memory devices such as DRAM. It became. In order to overcome this short channel effect, various methods have been studied to secure the channel length even though the design rule is reduced. In particular, there are many attempts to form a MOS transistor having a recessed gate as a structure that extends the channel length for a limited gate line width and recesses the semiconductor substrate under the gate to extend the channel length. It is done.
일반적인 반도체 소자의 리세스 게이트 형성방법을 간단히 설명하면, 트렌치 소자분리막에 의해 한정되는 활성영역을 갖는 반도체기판의 활성영역에 리세스된 채널을 구현하기 위하여, 반도체 기판을 일정깊이로 식각하여 트렌치를 형성한다. 다음에 전면에 게이트 절연막을 형성하고, 게이트 도전막을 트렌치가 매립되도록 전면에 형성한다. 다음에 게이트 도전막 위에 금속 실리사이드막 및 절연성 캡핑막을 순차적으로 형성하고, 통상의 게이트 패터닝을 수행하여 리세스 게이트스택을 형성한다. A method of forming a recess gate of a general semiconductor device will be described in brief. In order to implement a channel recessed in an active region of a semiconductor substrate having an active region defined by a trench isolation layer, the semiconductor substrate may be etched to a predetermined depth. Form. Next, a gate insulating film is formed over the entire surface, and a gate conductive film is formed over the entire surface to fill the trench. Next, a metal silicide film and an insulating capping film are sequentially formed on the gate conductive film, and a gate gate pattern is performed to form a recess gate stack.
이와 같은 리세스 게이트 구조에 있어서, 채널은 트렌치의 프로파일(profile)을 따라, 즉 트렌치의 바닥 및 측벽을 따라 형성되게 되므로, 리세스 게이트스택의 선폭에 비해서 더 긴 길이로 확장된 길이를 갖게 된다. 따라서 유효 채널 길이(Leff; effective channel length)가 증가하고, 도핑농도와 스토리지 노드 영역의 전계가 감소됨으로써, 접합누설전류가 감소하고, 결과적으로 데이터 리텐션 시간을 증가시킬 수 있는 것이다.In such a recess gate structure, the channel is formed along the profile of the trench, that is, along the bottom and sidewalls of the trench, so that the channel has an extended length longer than the line width of the recess gate stack. . Therefore, the effective channel length (L eff ) is increased, the doping concentration and the electric field of the storage node area are reduced, thereby reducing the junction leakage current and consequently increasing the data retention time.
도 1a 내지 도1e는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 리세스 게이트 형성방법을 설명하기 위해 나타내 보인 단면도들이다. 1A to 1E are cross-sectional views illustrating a method of forming a recess gate of a semiconductor device according to the related art.
먼저 도1a를 참조하면, 반도체 기판(100)의 활성영역(101)에 패드산화막(102)을 증착하고, 그 상부에 패드질화막(103)을 순차적으로 증착한다. 그리고 상기 패드질화막(103)에 대한 패터닝 공정을 진행하고 생기 패터닝된 패드질화막(103)을 식각 마스크로 이용하여 식각한 후, 반도체 기판(100)을 일정 깊이로 식각하여 소자분리막 트렌치(104)를 형성한다.First, referring to FIG. 1A, a
그런 다음 상기 소자분리막 트렌치(104) 내벽을 보호하기 위하여 트렌치 내벽에 사이드월(side wall) 산화막(105)과 라이너(liner)막(106)을 순차적으로 형성한 후, 이어서 소자분리막 트렌치(104)에 갭필산화막(107)을 도1a에 나타낸 바와 같이 충분히 매립되도록 고밀도 플라즈마(HDP; High density plasma) 증착으로 매립한다. Then, the side
다음으로는 도 1b에 나타낸 바와 같이 갭필산화막(107)을 평탄화한다. Next, as shown in FIG. 1B, the gap
상기 평탄화 이후에 도 1c에 나타낸 바와 같이 패드질화막(103)을 제거한다. 이때 패드질화막(103)이 제거됨에 의해 갭필산화막(107)과 활성영역(101) 간의 단차가 발생하는 것을 알 수 있으며 특히 패드질화막(103)의 클리핑 현상에 의해 갭필산화막(107)에 활성영역(101)쪽으로 다소 돌출되는 돌출부(107a)가 남아 있게 된다. After the planarization, the
그래서 도 1d에 나타내 바와 같이 리세스 게이트를 형성하기 위해 트렌치 식각공정을 진행하게 되면 식각 가스에 의한 활성영역(101)과 갭필산화막(107)의 에칭율이 다르기 때문에 도1e에 나타낸 바와 같이 트렌치(108)가 형성되면서 갭필산화막(107)의 돌출부(107a)에 의해 가려지는 트렌치(108) 하단측벽의 에지(edge)쪽 으로 호른(horn)형상의 레지듀(residue)(108a)가 발생한다.Therefore, as shown in FIG. 1D, when the trench etching process is performed to form the recess gate, the etching rate of the
도 2는 종래 기술에 따라 평탄화 공정 후를 나타내 보인 셈(SEM) 사진이다. 도 2를 참고하면, 패드질화막(103)이 제거되어 갭필산화막(107)과 활성영역(101) 간의 단차가 발생한 것과 패드질화막(103)의 클리핑 현상에 의해 갭필산화막(107)에 활성영역(101)쪽으로 다소 돌출되는 돌출부(107a)가 남아 있는 것을 확인 할 수 있다. 2 is a SEM photograph showing a planarization process according to the prior art. Referring to FIG. 2, the
도 3은 종래 기술에 따라 리세스 게이트를 식각한 후의 트렌치 프로파일을 나타내 보인 셈(SEM) 사진이다. 도 3을 참고하면, 활성영역(101) 바닥의 에지(edge)쪽으로 호른(horn)형상의 레지듀(residue)(108a)가 높게 발생한 것을 확인 할 수 있다. 3 is a SEM photograph showing a trench profile after etching a recess gate according to the related art. Referring to FIG. 3, it can be seen that a horn-
이 호른형상의 레지듀(108a)는 소자분리막 형성 및 갭필산화막 형성 공정에서의 클리핑 현상에 의해 영향을 받는다. 즉, 패드질화막(103)의 클리핑 현상이 심해지면 리세스 게이트 식각시 갭필산화막(107)에 기인한 새도우잉 효과가 증가하게 되어 레지듀(108a)가 크게 남게 된다. This horn shaped
이와 같은 새도우잉(shadowing) 효과에 의한 레지듀(108a)는 누설전류를 증가시키는 원인이 되는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 리세스 게이트(recess gate) 식각시에 리세스 게이트 트렌치의 에지(edge)에서 발생하는 호른(horn) 형태 레지듀 (residue)의 생성을 억제시켜 누설전류의 발생을 억제하여 수율을 향상 및 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 리세트 게이트 형성방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a leakage current by suppressing generation of a horn-type resistor generated at an edge of a recess gate trench during etching of a recess gate. It is to provide a method for forming a reset gate of a semiconductor device that can suppress the increase in yield and improve the reliability of the device.
상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 의한 반도체소자의 리세스 게이트 형성방법은 반도체 기판의 활성영역에 위에 패드막을 형성하는 단계; 상기 패드막을 마스크로 반도체 기판을 식각하여 소자 분리막 트렌치를 형성하는 단계; 상기 소자 분리막 트렌치에 갭필 산화막을 매립하는 단계; 상기 패드막이 드러나도록 상기 갭필 산화막을 평탄화하는 단계; 상기 패드막을 제거하는 단계; 상기 패드막이 제거된 반도체 기판 위에 버퍼막을 형성하는 단계; 활성역역이 노출되도록 상기 버퍼막 및 갭필 산화막을 식각하는 단계; 및 상기 활성영역의 반도체 기판 상에 리세스 게이트 트렌치를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of forming a recess gate in a semiconductor device, the method including: forming a pad film on an active region of a semiconductor substrate; Forming a device isolation layer trench by etching the semiconductor substrate using the pad layer as a mask; Filling a gapfill oxide layer in the device isolation trench; Planarizing the gapfill oxide film so that the pad film is exposed; Removing the pad layer; Forming a buffer film on the semiconductor substrate from which the pad film is removed; Etching the buffer layer and the gapfill oxide layer to expose an active region; And forming a recess gate trench on the semiconductor substrate in the active region.
또한 상기 버퍼막은 SOG 박막 또는 포토 레지스트막으로 형성할 수 있다.In addition, the buffer film may be formed of an SOG thin film or a photoresist film.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention may be modified in many different forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described below.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명에 의한 반도체 소자의 리세스 게이트 형성방법을 설명하기 위해 나타내 보인 단면도들이고, 도 5는 도 4의 리세스 게이트 형성 방법에서 도 4f와 같이 리세스 게이트 식각 후의 트렌치 프로파일을 나타내 보인 셈(SEM) 사진이다.4A to 4F are cross-sectional views illustrating a method of forming a recess gate of a semiconductor device according to the present invention, and FIG. 5 is a trench profile after a recess gate is etched as in FIG. 4F in the method of forming a recess gate of FIG. 4. This is a SEM picture.
먼저 도 4a를 참조하면, 반도체 기판(200)의 활성영역(201)을 한정하기 위하여 우선 트렌치 소자분리막을 형성한다. First, referring to FIG. 4A, a trench isolation layer is first formed to define the
이를 위하여 반도체 기판(200)의 활성영역(201) 위에 패드막으로 패드산화막과 패드질화막을 증착한다. 먼저 반도체 기판(200)의 활성영역(201) 위에 패드산화막(202)을 증착하고 그 상부에 패드질화막(203)을 순차적으로 증착한다. 그리고 상기 패드질화막(203)에 대한 패터닝 공정을 진행하여 패터닝된 패드질화막(203)을 식각 마스크로 해서 패드산화막(202)을 식각하여 소자분리영역을 노출시킨 후, 반도체 기판(200)을 일정 깊이로 식각하여 소자분리막을 위한 소자분리막 트렌치(204)를 형성한다. To this end, a pad oxide film and a pad nitride film are deposited on the
그런 다음 상기 소자분리막 트렌치(204) 내벽을 보호하기 위하여 트렌치 내벽에 사이드월(side wall)산화막(205)과 라이너(liner)질화막 및 라이너산화막(206)을 순차적으로 형성한 후, 이어서 도 4a에 나타낸 바와 같이 상기 소자분리막 트렌치(204)에 고밀도 플라즈마(HDP; High Density Plasma) 증착으로 갭필(gap fill) 산화막(207)을 매립하여 상기 소자분리막 트렌치(204)가 충분히 매립되도록 한다. Then, in order to protect the inner wall of the device
이때 고밀도 플라즈마 증착 공정의 갭필 마진(gap fill margin)을 확보하기 위하여 패드질화막(203)의 상부층 일부분에 클리핑(clipping) 현상이 발생해서 도 4a 와 4b에 나타낸 것처럼 상기 패드질화막(203)의 단면이 하측 밑변보다 상측의 폭이 좁은 사다리꼴 형태가 된다. At this time, in order to secure a gap fill margin of the high density plasma deposition process, a clipping phenomenon occurs in a portion of the upper layer of the
다음으로 도 4b에 나타낸 것과 같이 상기 갭필산화막(207)을 CMP(Chemical Mechanical Polishing; 화학적기계적연마)연마로 평탄화한다. Next, as shown in FIG. 4B, the gap
상기 CMP연마로 갭필산화막(207)을 평탄화한 이후에 도 4c에 나타낸 바와 같이 패드질화막(203)을 스트립(strip)공정으로 제거한다. After planarizing the gap
이때 패드질화막(203)이 제거됨에 의해 갭필산화막(207)과 활성영역(201) 간의 단차가 발생하고 특히 패드질화막(203)의 클리핑 현상에 의해 갭필산화막(207)에 활성영역(201)쪽으로 돌출되는 돌출부(207a)가 남게 된다. At this time, the gap between the gap
다음 공정 단계인 전면식각에서 상기 활성영역(201)을 보호하기 위하여 도 4d에 나타낸 바와 같이 먼저 버퍼(buffer)막(209)을 형성한다. 이 버퍼막(209)은 SOG(spin on glass) 또는 포토레지스트(Photo Resist)를 도포하여 형성한다. A
만약 상기 버퍼막(209)을 형성하지 않고 다음 공정으로 전면식각을 진행하면 활성영역(201)이 식각에 의한 손상을 받기 때문에 소자특성저하를 가져오며, 습식 식각에 사용되는 화학물질(chemical)들이 트렌치 내벽에 형성한 사이드월산화막(205)과 라이너(liner)질화막 및 라이너산화막(206)에도 손상을 유발하기 때문에 버퍼막(209)을 형성하지 않고 전면식각을 진행하는 것은 바람직하지 않다. If the entire surface is etched in the next process without forming the
상기 버퍼막(208)이 형성된 후 상기 갭필산화막(207)과 활성영역(201)간 단차를 감소시키고 갭필산화막(207)의 돌출부(207a)를 제거하기 위하여 도 4e에 나타낸 바와 같이 전면식각으로 활성영역이 노출될 때까지 상기 버퍼막(208) 및 갭필산화막(207)을 식각한다. After the buffer layer 208 is formed, it is active by the front etch as shown in FIG. 4E to reduce the step difference between the gap
상기 전면식각은 케미컬을 이용하는 일반적인 습식 식각 또는 플라즈마를 이 용하는 건식 식각으로 이루어진다.The front side etching may be performed by general wet etching using chemical or dry etching using plasma.
이제 상기 갭필산화막(207)과 활성영역(201) 간의 단차는 감소되었고, 특히 패드질화막(203)의 클리핑 현상에 의해 갭필산화막(207)에 활성영역(201)쪽으로 돌출되었던 돌출부(207a)도 제거되었다. 따라서 새도우잉효과(shadowing effect)가 발생하지 않게 되므로 리세스 게이트를 위한 트렌치에 호른 형성이 방지된다. 그러므로 이제 도 4f에 나타낸 바와 같이 리세스 게이트 트렌치(210)를 식각한다. 리세스 게이트 트렌치(210)의 하부특벽에 호른 형태의 레지듀가 형성되지 않게 된 것이다. The step between the gap
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지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체소자의 리세스 게이트 형성방법에 의하면, 패드막 제거후 갭필산화막과 활성영역 간의 단차를 감소시키고 패드막의 클리핑 현상에 의해 갭필산화막에 활성영역쪽으로 돌출되는 돌출부를 제거하여 새도우 효과에 의해 리세스 게이트를 위한 트렌치의 하부측벽에 호른 형태의 레지듀가 발생하는 것이 방지된다. 따라서 누설 전류의 발생이 억제되어 반도체 소자 제조의 수율 및 신뢰성이 향상되는 이점이 제공된다. As described above, according to the method of forming the recess gate of the semiconductor device according to the present invention, after removing the pad film, the protrusion between the gap fill oxide film and the active region is reduced and the protrusion protruding toward the active area from the gap fill oxide film due to the clipping of the pad film. The shadow effect prevents the occurrence of a horn shaped residue on the lower sidewall of the trench for the recess gate. Therefore, the generation of leakage current is suppressed, thereby providing the advantage that the yield and reliability of semiconductor device manufacturing are improved.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능함은 당연하다. Although the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications may be made by those skilled in the art within the technical spirit of the present invention. Do.
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