KR100811424B1 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 제1게이트 폴리실리콘층을 얇게 형성한 후 소오스/드레인 이온주입 공정 및 C-할로 이온주입 공정을 수행하여 접합의 불순물 농도 분포의 변화를 완화시킬 수 있으며, 이온주입 에너지를 감소시켜 보론이 저장전극 영역으로 침투되는 것을 감소시켜 리프레쉬 특성 및 공정 여유도를 향상시키는 기술을 개시한다.The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and may form a thin first gate polysilicon layer and then perform source / drain ion implantation and C-halo ion implantation to mitigate changes in the impurity concentration distribution of the junction. In addition, the present invention discloses a technique of reducing ion implantation energy to reduce penetration of boron into the storage electrode region to improve refresh characteristics and process margins.
Description
도 1a 내지 도 1g는 종래기술에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 도시한 단면도들. 1A to 1G are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to the prior art.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 도시한 단면도들.
도 3a 내지 도 3c는 종래 기술 및 본 발명의 이온주입 직 후 보론 입자의 분포를 도시한 시뮬레이션 및 그래프.2A to 2G are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with the present invention.
3a to 3c are simulations and graphs showing the distribution of boron particles immediately after ion implantation of the prior art and the present invention.
본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 제1게이트 폴리실리콘층을 얇게 형성한 후 2차 소오스/드레인 이온주입 공정 및 C-할로 이온주입 공정을 수행하여 접합의 불순물 농도 분포의 변화를 완화시키며, 이온주입 에너지를 감소시켜 보론이 저장전극영역으로 침투되는 것을 감소시켜 리프레쉬 특성 및 공정 여유도를 향상시키는 기술을 개시한다. The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and to reduce the change in the impurity concentration distribution of the junction by performing a second source / drain ion implantation process and a C-halo ion implantation process after forming a thin first gate polysilicon layer In addition, the present invention discloses a technique of reducing ion implantation energy to reduce penetration of boron into the storage electrode region to improve refresh characteristics and process margins.
최근 디자인 룰(Design Rule)이 작아질수록 Vt 타켓을 맞추기 위해 Cell-Vt 도즈가 증가하게 되고, Tr 문턱전압 도즈의 증가는 저장 전극 접합의 전기장을 증가시켜 누설전류가 증가되어 리프레쉬 시간이 감소하게 된다. 따라서, Cell-Vt 도즈는 감소시키면서, Vt 타겟을 맞추기 위해 비트라인 콘택 영역에 C-할로 이온주입 공정을 수행하여 리프레쉬 특성을 향상시키는 방법이 사용되고 있다.As the recent design rule becomes smaller, the Cell-Vt dose increases to meet the Vt target, and the increase of the Tr threshold voltage dose increases the electric field of the storage electrode junction, which increases the leakage current and decreases the refresh time. do. Accordingly, a method of improving the refresh characteristics by performing a C-halo ion implantation process on the bit line contact region while reducing the Cell-Vt dose is used.
도 1a 내지 도 1g는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 도시한 단면도들이다. 1A to 1G are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to the prior art.
도 1a를 참조하면, 소자분리막(15)이 구비된 반도체 기판(10) 상부에 1차 소오스/드레인 이온주입 공정을 수행한다.Referring to FIG. 1A, a first source / drain ion implantation process may be performed on an upper portion of a
도 1b를 참조하면, 반도체 기판(10)의 활성 영역을 소정 깊이 식각하여 리세스 게이트 영역(30)을 형성한다. Referring to FIG. 1B, the
이때, 비트라인 콘택영역(31)이 정의되며, 비트라인 콘택영역(31) 양측으로 저장전극 콘택영역(33)이 정의된다. In this case, the bit
도 1c 및 도 1d를 참조하면, 리세스 게이트 영역(30)을 포함하는 반도체 기판(10) 전체 표면에 일정두께의 게이트 산화막(35)을 형성한 후 리세스 게이트 영역(30)을 매립하는 게이트 폴리실리콘층(40)을 형성한다.1C and 1D, a
도 1e를 참조하면, 비트라인 콘택영역(31)을 노출시키는 감광막 패턴(43)을 형성한 후 감광막 패턴(43)을 마스크로 C-할로 이온주입 공정을 수행하여 비트라인 콘택영역(31)에 보론 이온주입 영역을 형성한다. Referring to FIG. 1E, after forming the
이때, 게이트 폴리실리콘층(40)은 1200 내지 1500Å의 두께로 형성하며, 이온주입은 40 내지 50 KeV의 에너지로 수행하여 보론이온이 상기 게이트 폴리실리콘층(40)의 두께를 충분히 통과할 수 있도록 한다.At this time, the
도 1f 및 도 1g를 참조하면, 게이트 폴리실리콘층(40) 상부에 게이트 금속층 (45) 및 게이트 하드마스크층(50)의 적층구조를 형성한 후 상기 적층구조 및 게이 트 폴리실리콘층(40)을 패터닝하여 게이트를 형성한다. 1F and 1G, after forming a lamination structure of the
이때, 리세스 게이트 영역과 게이트 간의 오정렬로 인해 C-할로 이온주입 공정시 이온 주입되지 않는 영역이 발생하게 되는 것을 방지하기 위해 게이트 폴리실리콘층 형성 후 C-할로 이온주입 공정을 수행하였다. In this case, the C-halo ion implantation process was performed after the gate polysilicon layer was formed in order to prevent a region that is not implanted during the C-halo ion implantation process due to misalignment between the recess gate region and the gate.
상술한 종래 기술에 따른 반도체 소자의 제조 방법에서, C-할로 이온주입 공정을 게이트 폴리실리콘층 형성 후에 수행하게 되면 상기 게이트 폴리실리콘층의 두께를 통과할 수 있도록 하기 위해 이온주입 에너지가 커지게되어 리세스 게이트 영역과 게이트 간에 오정렬이 발생하지 않더라도 상당량의 보론 이온이 저장전극 영역으로 침투하게 된다. In the above-described method of manufacturing a semiconductor device according to the related art, when the C-halo ion implantation process is performed after the gate polysilicon layer is formed, the ion implantation energy is increased so as to pass through the thickness of the gate polysilicon layer. Although no misalignment occurs between the recess gate region and the gate, a considerable amount of boron ions penetrate into the storage electrode region.
따라서, 문턱전압의 분포특성이 열화되며, 저장전극의 접합 전계를 증가시켜 리프레쉬 특성을 열화시킨다. 또한, 집적도 향상을 위해 디자인 룰이 감소할수록 C-할로 이온주입시 보론 이온의 저장전극영역으로 침투되는 현상이 급격히 증가되는 문제점이 있다. Therefore, the distribution characteristic of the threshold voltage is deteriorated, and the refreshing characteristic is deteriorated by increasing the junction electric field of the storage electrode. In addition, as the design rule decreases to improve the degree of integration, the phenomenon of penetration of boron ions into the storage electrode region during C-halo ion implantation increases rapidly.
또한, 소오스/드레인 접합 형성을 위한 이온주입을 1회만 수행하였을 경우에는 리프레쉬 특성을 개선하고, 구동전류의 손실을 최소화할 수 있도록 접합 농도를 최적화하여야 하는 어려움이 있다. In addition, when only one ion implantation is performed to form the source / drain junction, there is a difficulty in optimizing the junction concentration to improve the refresh characteristics and minimize the loss of the driving current.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 얇은 두께로 제1게이트 폴리실리콘층을 형성한 후 소오스/드레인 이온주입 공정을 수행하고, 비트라인 콘택영역에 C-할로 이온주입 공정을 수행하되, 상기 C-할로 이온주입 에너지는 종래의 게이트 폴리실리콘층과 제1게이트 폴리실리콘층과의 두께 차이만큼 투입 깊이를 보상하는 에너지로 수행하여 보론 이온이 저장전극 영역으로 침투되는 것을 감소시킬 수 있다. 또한, 제2게이트 폴리실리콘층을 형성한 후 평탄화 식각 공정을 수행함으로써 후속 공정시 형성되는 게이트 금속층 및 하드마스크층 형성시 심(Seam)의 발생을 방지한다. In order to solve the above problems, after forming the first gate polysilicon layer with a thin thickness, a source / drain ion implantation process is performed, and a C-halo ion implantation process is performed in the bit line contact region, but the C-halo ion The implanted energy may be performed to compensate the input depth by the thickness difference between the conventional gate polysilicon layer and the first gate polysilicon layer, thereby reducing the penetration of boron ions into the storage electrode region. In addition, the planar etching process is performed after the second gate polysilicon layer is formed to prevent generation of a seam during the formation of the gate metal layer and the hard mask layer formed in a subsequent process.
따라서, 문턱 전압 변동 및 리프레쉬 특성을 향상시키는 반도체 소자의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device that improves threshold voltage fluctuations and refresh characteristics.
본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 Method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention
반도체 기판상에 1차 소오스/드레인 이온주입 공정을 수행하는 단계와,Performing a primary source / drain ion implantation process on the semiconductor substrate;
상기 반도체 기판을 소정 깊이 식각하여 리세스 게이트 영역을 형성하는 단계와,Etching the semiconductor substrate to a predetermined depth to form a recess gate region;
상기 리세스 게이트 영역을 포함하는 전체 표면 상부에 일정두께의 게이트 산화막을 형성하는 단계와,Forming a gate oxide film having a predetermined thickness on an entire surface including the recess gate region;
상기 리세스 게이트 영역을 매립하는 제1게이트 폴리실리콘층을 형성한 후 2차 소오스/드레인 이온주입 공정을 수행하는 단계와,Performing a second source / drain ion implantation process after forming the first gate polysilicon layer filling the recess gate region;
상기 제1게이트 폴리실리콘층 상부에 비트라인콘택영역을 노출시키는 감광막 패턴을 형성하고, 상기 감광막 패턴을 마스크로 C-할로 이온주입 공정을 수행하는 단계와,Forming a photoresist pattern exposing a bit line contact region on the first gate polysilicon layer, and performing a C-halo ion implantation process using the photoresist pattern as a mask;
상기 감광막 패턴을 제거한 후 상기 제1게이트 폴리실리콘층 상부에 제2게이트 폴리실리콘층을 형성하는 단계와,Removing the photoresist pattern and forming a second gate polysilicon layer on the first gate polysilicon layer;
상기 제2게이트 폴리실리콘층 상부에 게이트 금속층 및 하드마스크층의 적층구조를 형성하는 단계와,Forming a stacked structure of a gate metal layer and a hard mask layer on the second gate polysilicon layer;
상기 적층구조, 제 1 및 제2게이트 폴리실리콘층을 패터닝하여 게이트를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. And patterning the stacked structure and the first and second gate polysilicon layers to form a gate.
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이하에서는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings an embodiment of the present invention will be described in detail.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.2A to 2G are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with the present invention.
도시되지 않았으나, 소자분리막 형성 공정을 설명하면, 반도체 기판 상부에 패드 산화막 및 패드 질화막의 적층 구조를 형성한 후 상기 패드 질화막 및 패드 산화막을 소정 깊이 식각하여 활성 영역을 정의하는 트렌치를 형성한다. Although not shown, the device isolation film forming process will be described. A layer structure of a pad oxide film and a pad nitride film is formed on a semiconductor substrate, and the pad nitride film and the pad oxide film are etched to a predetermined depth to form a trench defining an active region.
다음에, 산화막으로 상기 트렌치를 매립하여 소자분리막을 형성한다. Next, the trench is filled with an oxide film to form an element isolation film.
여기서, 상기 패드 산화막은 50 내지 100Å의 두께로 형성하며, 상기 패드 질화막은 1500 내지 2000Å의 두께로 형성한다. Here, the pad oxide film is formed to a thickness of 50 to 100 GPa, and the pad nitride film is formed to a thickness of 1500 to 2000 GPa.
도 2a를 참조하면, 소자분리막(110)이 구비된 반도체 기판(100) 상에 1차 소오스/드레인 이온주입 공정을 수행하여 1차 이온주입 영역(120)을 형성한다. Referring to FIG. 2A, a primary source / drain ion implantation process is performed on a
여기서, 상기 1차 소오스/드레인 이온주입 공정은 비소(Arsenic) 또는 안티몬(Antimony)를 사용하여 10 내지 30 KeV의 에너지로 이온주입하여 접촉저항이 개선되도록 한다. Here, the primary source / drain ion implantation process uses arsenic (Arsenic) or antimony (Antimony) to implant the ion at an energy of 10 to 30 KeV to improve the contact resistance.
도 2b를 참조하면, 반도체 기판(100)을 소정 깊이 식각하여 리세스(125)를 형성한다. Referring to FIG. 2B, the
이때, 비트라인 콘택영역(127)이 정의되며, 비트라인 콘택영역(127) 양측으로 저장전극 콘택영역(129)이 정의된다. In this case, the bit
도 2c를 참조하면, 리세스(125)를 포함하는 반도체 기판(100) 전체 표면에 게이트 산화막(130)을 형성한다. Referring to FIG. 2C, the
도 2d를 참조하면, 리세스(125)를 포함하는 전체 상부에 제1게이트 폴리실리콘층(140a)을 형성한 후 2차 소오스/드레인 이온주입 공정을 수행하여 2차 이온주입 영역(145)을 형성한다.Referring to FIG. 2D, after forming the first
여기서, 제1게이트 폴리실리콘층(140a)은 300 내지 500Å의 두께로 종래보다 얇게 형성하며, 상기 2차 소오스/드레인 이온주입 공정은 인(Phosphorus)을 사용하여 40 내지 50 KeV의 에너지로 이온주입하여 불순물 분포를 완만하게 함으로써 리프레쉬 특성을 향상시킨다. Here, the first
이때, 상기 2차 이온주입공정은 1차 이온주입공정보다 더 큰 에너지를 사용하여 수행하기 때문에 2차 이온주입 영역(145)은 1차 이온주입 영역(120)보다 더 깊게 형성된다. In this case, since the secondary ion implantation process is performed using more energy than the primary ion implantation process, the secondary
도 2e를 참조하면, 비트라인 콘택영역(127)을 노출시키는 감광막 패턴(150)을 형성한 후 감광막 패턴(150)을 마스크로 C-할로 이온주입 공정을 수행하여 비트라인 콘택영역(127)에 C-할로 이온주입 영역(155)을 형성한다. Referring to FIG. 2E, after forming the
이때, 제1게이트 폴리실리콘층(140a)을 얇게 형성하고 낮은 에너지로 C-할로 이온주입 공정을 수행함으로써 보론 이온이 소오스 접합으로 침투되는 현상을 감소시킬 수 있다. 여기서, 상기 C-할로 이온주입 공정은 보론(Boron)을 사용하여 10 내지 15 KeV의 에너지로 이온주입하여 상기 보론의 최대 농도 깊이를 반도체 기판 표면으로부터 400Å 미만으로 하며, 더 바람직하게는 200 내지 400Å 의 깊이에 주입되도록 한다.
상기 C-할로 이온주입 공정을 수행하여 형성된 C-할로 이온주입 영역(155)은 1차 및 2차 이온주입 영역(120, 145)보다 깊게 형성된다. At this time, by forming the first
The C-halo
도 2f를 참조하면, 감광막 패턴(150)을 제거한 후 제1게이트 폴리실리콘층(140a) 상부에 제2게이트 폴리실리콘층(140b)을 형성한다. Referring to FIG. 2F, after removing the
여기서, 제2게이트 폴리실리콘층(140b)은 700 내지 1000Å의 두께로 형성한다. Here, the second
다음에, 평탄화 식각 공정을 수행하여 제1게이트 폴리실리콘층(140a) 및 제2게이트 폴리실리콘층(140b)의 적층 두께가 500 내지 1000Å 남겨지도록 한다. Next, a planarization etching process may be performed to leave the stacked thickness of the first
도 2g를 참조하면, 게이트 폴리실리콘층(143) 상부에 게이트 금속층(165) 및 게이트 하드마스크층(170)의 적층구조를 형성한 후 상기 적층구조 및 게이트 폴리실리콘층(143)을 패터닝하여 게이트를 형성하고, 상기 게이트 측벽에 스페이서(180)를 형성한다. Referring to FIG. 2G, after forming a lamination structure of the
여기서, 게이트 금속층(165)은 1000 내지 1500Å의 두께로 형성하며, 게이트 하드마스크층(170)은 1500 내지 2000Å의 두께로 형성한다. Here, the
도 3a 내지 도 3c는 종래 기술 및 본 발명의 이온주입 직후 보론 입자의 분포를 나타낸 시뮬레이션 및 그래프이다. 3A to 3C are simulations and graphs showing the distribution of boron particles immediately after ion implantation of the prior art and the present invention.
도 3a는 종래 기술에 따라 1100Å의 게이트 폴리실리콘층 형성 후에 45KeV의 에너지로 이온주입 공정을 수행한 경우의 시뮬레이션을 도시한 것이며, 도 3b는 본 발명에 따라 300Å의 제1게이트 폴리실리콘층 형성 후에 20 KeV의 에너지로 이온주입 공정을 수행한 경우의 시뮬레이션을 도시한 것으로, A 위치의 보론의 농도를 보면 종래 기술에 따른 상기 도 3a는 상당량의 보론 이온이 저장전극 영역까지 침투되어 있는 것을 알 수 있다. FIG. 3A illustrates a simulation in which the ion implantation process is performed at an energy of 45 KeV after the formation of the gate polysilicon layer of 1100 kV according to the prior art, and FIG. 3B is the formation of the first gate polysilicon layer of 300 kV according to the present invention. The simulation is performed when the ion implantation process is performed at an energy of 20 KeV. Referring to the concentration of boron at the position A, it can be seen that FIG. 3A according to the prior art has a significant amount of boron ions penetrated to the storage electrode region. have.
도 3c를 참조하면, 상기 도 3a 및 도 3b의 A, B 라인의 이온주입 에너지에 따른 보론의 농도를 비교한 것으로, 이온주입 에너지가 클수록 보론의 농도가 최대가 되는 깊이를 기준으로 농도가 66% 수준이 되는 거리가 커지게 됨을 알 수 있으며, 본 발명에 따른 이온 주입 공정을 수행하는 경우 종래 기술에 비해 40 내지 55%의 감소함을 알 수 있다. Referring to FIG. 3C, concentrations of boron according to ion implantation energies of lines A and B of FIGS. 3A and 3B are compared. The concentration is based on the depth at which the concentration of boron is maximized as the ion implantation energy increases. It can be seen that the distance to become the level is increased, and when performing the ion implantation process according to the invention it can be seen that the reduction of 40 to 55% compared to the prior art.
여기서, 문턱전압은 비트라인 영역의 보론 농도에 의해 결정되고, 저장전극 영역의 보론 농도가 높아지면 소자의 리프레쉬 특성을 악화된다. 따라서, 이온주입 에너지가 낮으면, 높은 경우보다 동일한 문턱전압에서 저장전극 영역으로 보론이 침투되는 현상이 감소되어 리프레쉬 특성이 우수해진다. Here, the threshold voltage is determined by the boron concentration of the bit line region, and when the boron concentration of the storage electrode region is increased, the refresh characteristic of the device is deteriorated. Therefore, when the ion implantation energy is low, the phenomenon that boron penetrates into the storage electrode region at the same threshold voltage is reduced than in the high case, thereby improving the refresh characteristics.
본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 제1게이트 폴리실리콘층을 얇게 형성한 후 2차 소오스/드레인 이온주입 공정 및 C-할로 이온주입 공정을 수행하여 접합의 불순물 농도 분포의 변화를 완화시킬 수 있으며, 이온주입 에너지를 감소시켜 보론이 저장전극 콘택영역으로 침투되는 것을 감소시켜 리프레쉬 특성 및 공정 여유도를 향상시키는 효과가 있다. In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the first gate polysilicon layer may be thinly formed, and then the second source / drain ion implantation process and the C-halo ion implantation process may be performed to mitigate the change in the impurity concentration distribution of the junction. In addition, the ion implantation energy may be reduced to reduce penetration of boron into the storage electrode contact region, thereby improving refresh characteristics and process margins.
아울러 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.In addition, a preferred embodiment of the present invention is for the purpose of illustration, those skilled in the art will be able to various modifications, changes, substitutions and additions through the spirit and scope of the appended claims, such modifications and changes are the following claims It should be seen as belonging to a range.
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