KR100825028B1 - Method of manufacturing a semiconductor device having a recess gate - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리세스패턴 형성시 첨점으로 인해 발생하는 누설전류 및 수율 감소를 방지하기 위한 리세스 게이트를 갖는 반도체 소자 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 본 발명은 기판 상에 리세스 마스크패턴을 형성하는 단계; 상기 기판을 식각하여 제1리세스패턴을 형성함과 동시에 산화시켜서 제1리세스패턴의 측벽에 측벽보호막을 형성하는 단계; 상기 제1리세스패턴의 바닥부의 기판을 식각하여 제2리세스패턴을 형성하는 단계; 상기 제2리세스패턴의 폭을 넓히는 단계; 상기 제1 및 제2리세스패턴에 게이트절연막이 개재된 게이트전극을 형성하는 단계를 포함한다.The present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device having a recess gate for preventing a leakage current and a decrease in yield caused by the point when forming the recess pattern, the present invention is to form a recess mask pattern on a substrate step; Etching the substrate to form a first recess pattern and simultaneously oxidizing the substrate to form sidewall protective layers on sidewalls of the first recess pattern; Etching a substrate of a bottom portion of the first recess pattern to form a second recess pattern; Widening the width of the second recess pattern; Forming a gate electrode having a gate insulating layer interposed therebetween in the first and second recess patterns.
Description
도 1은 종래 기술에 따른 반도체 소자의 리세스패턴을 설명하기 위한 단면도,1 is a cross-sectional view for explaining a recess pattern of a semiconductor device according to the prior art;
도 2는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 리세스패턴을 나타내는 TEM사진,2 is a TEM photograph showing a recess pattern of a semiconductor device according to the prior art;
도 3은 첨점(Horn)이 형성되는 원인을 나타내는 TEM사진,Figure 3 is a TEM photograph showing the cause of the formation (Horn),
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자의 리세스패턴 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도,4A to 4F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a recess pattern of a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention;
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 산화막을 나타내는 TEM사진,5a and 5b is a TEM photograph showing an oxide film according to a preferred embodiment of the present invention,
도 6a 및 도 6b는 종래 기술과 본 발명을 비교하기 위한 TEM사진.6A and 6B are TEM photographs for comparing the present invention with the prior art.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
401 : 반도체 기판 402 : 소자분리막401
403 : 희생산화막 404 : 비정질카본403: sacrificial oxide film 404: amorphous carbon
405 : 반사방지막 406 : 감광막패턴405: antireflection film 406: photosensitive film pattern
407 : 제1리세스패턴 408 : 측벽보호막407: first recess pattern 408: sidewall protective film
409 : 제2리세스패턴 410 : 게이트절연막409: second recess pattern 410: gate insulating film
411 : 폴리실리콘전극411 polysilicon electrode
본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히 반도체 소자의 리세스패턴 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to semiconductor manufacturing technology, and more particularly, to a method of manufacturing a recess pattern of a semiconductor device.
반도체 소자가 초고집적화 됨에 따라 게이트를 평탄한 활성영역 위에 형성하는 기존의 플라나 게이트(Planar Gate)배선 형성 방법은 게이트 채널길이(Gate channel Length)가 점점 작아지고 이온주입도핑(Implant Dopping)농도가 증가함에 따라 전계(Electric Filed) 증가에 의해 접합 누설전류(Junction Leakage)가 생겨 소자의 리프레시특성을 확보하기가 어렵다.As the semiconductor devices become highly integrated, the conventional planar gate wiring forming method for forming a gate over a flat active region becomes smaller as the gate channel length and the ion implantation doping concentration increase. As a result, an increase in electric filed causes junction leakage, which makes it difficult to secure refresh characteristics of the device.
반도체 소자의 리프레시특성을 확보하기 위해, 게이트패턴 아래의 영역을 리세스(Recess) 시켜, 채널길이(Channel Length)를 증가시키는 3D 게이트구조인 리세스게이트구조를 형성하는 기술이 제안되었다.In order to secure refresh characteristics of a semiconductor device, a technique of forming a recess gate structure, which is a 3D gate structure that increases a channel length by recessing a region under a gate pattern, has been proposed.
도 1은 종래 기술에 따른 반도체 소자의 리세스패턴을 설명하기 위한 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a recess pattern of a semiconductor device according to the prior art.
도 1에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(101)에 소자분리막(102)을 형성되고, 반도체 기판(101) 상에 산화막(103)과 비정질카본(104)이 형성되어 리세스형성지역이 오픈되고, 오픈된 반도체 기판(101)이 식각되어 리세스패턴(105)이 형성된다.As shown in FIG. 1, an
위와 같이, 반도체 기판(101)의 일부를 선택적으로 식각하여 리세스패턴(105)을 형성함으로써 채널길이 증가와 주입도핑(Implant Dopping) 농도가 감소하여 소자의 리프레시 특성이 좋아진다.As described above, a portion of the
그러나, 반도체 소자가 초 미세 패턴화되는 과정에서 리세스패턴(105)을 형성할 수 있는 사이즈가 감소되고, 리세스패턴(105)은 "V" 형의 프로파일이 형성되어 리세스패턴(105)과 인접하는 소자분리막(102) 간에 첨점(Horn, 도 2의 '100')이 발생하는 문제점이 있다(도 2 참조). However, the size in which the
특히, 첨점은 리세스패턴(105)의 "V"형의 프로파일과 함께 소자분리막(102) 형성시 절연막의 갭필(Gap-Fill) 특성을 위해 수직으로 식각하지 않고 경사프로파일(Slope profile)을 형성함으로써 더욱 악화되는 문제점이 있다(도 3참조).Particularly, the sharp point forms a slope profile without etching vertically for the gap fill characteristic of the insulating film when forming the
위와 같이 첨점(Horn)으로 인해 후속 게이트산화막(Gate Oxide)의 특성이 열화되는 문제점이 있고, 또한 스트레스(Stress) 집중 지점(Point)이 되어 누설전류 원인(Leakage Source)로 작용하여 소자의 수율 감소(Yield Drop) 등의 문제점이 발생하여 DRAM 생산에 어려움이 있다.As described above, there is a problem in that the characteristics of subsequent gate oxides are degraded due to horns, and as stress concentration points, they act as a leakage source, thereby reducing the yield of devices. It is difficult to produce DRAM due to problems such as (Yield Drop).
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 리세스패턴 형성시 첨점으로 인해 발생하는 누설전류 및 수율 감소를 방지하기 위한 리 세스 게이트를 갖는 반도체 소자 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve the above-mentioned problems of the prior art, and provides a method of manufacturing a semiconductor device having a recess gate for preventing a leakage current and a decrease in yield, which are generated due to a peak in forming a recess pattern. There is this.
본 발명에 의한 리세스 게이트를 갖는 반도체 소자 제조방법은 기판 상에 리세스 마스크패턴을 형성하는 단계; 상기 기판을 식각하여 제1리세스패턴을 형성함과 동시에 산화시켜서 제1리세스패턴의 측벽에 측벽보호막을 형성하는 단계; 상기 제1리세스패턴의 바닥부의 기판을 식각하여 제2리세스패턴을 형성하는 단계; 상기 제2리세스패턴의 폭을 넓히는 단계; 상기 제1 및 제2리세스패턴에 게이트절연막이 개재된 게이트전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method of manufacturing a semiconductor device having a recess gate according to the present invention includes forming a recess mask pattern on a substrate; Etching the substrate to form a first recess pattern and simultaneously oxidizing the substrate to form sidewall protective layers on sidewalls of the first recess pattern; Etching a substrate of a bottom portion of the first recess pattern to form a second recess pattern; Widening the width of the second recess pattern; And forming a gate electrode having a gate insulating layer interposed therebetween in the first and second recess patterns.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the most preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily implement the technical idea of the present invention. .
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자의 리세스패턴 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.4A to 4F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a recess pattern of a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.
도 4a에 도시된 바와 같이, 기판(401)에 소자분리막(402)을 형성한다. 여기서, 기판(401)은 DRAM공정이 진행되는 반도체 기판일 수 있다. 또한, 소자분리막(402)은 STI(Shallow Trench Isolation) 공정을 통해 진행하는데, 기판(401)에 트렌치를 형성하고 절연막을 매립하는 공정에서 절연막의 갭필(Gap-Fill) 특성을 확보하기 위해 트렌치를 수직으로 형성하지 않고 경사프로파일(Slope profile)로 형성할 수 있다.As shown in FIG. 4A, an
이어서, 소자분리막(402)을 포함하는 기판(401) 상에 희생산화막(403)과 비정질카본(404)을 형성한다. 여기서, 희생산화막(403)은 후속 리세스패턴 형성시 하드마스크역할을 하기 위한 것이고, 비정질카본(404)은 희생산화막(403)을 식각하기 위한 하드마스크역할을 하기 위한 것이다.Subsequently, the
이어서, 비정질카본(404) 상에 반사방지막(405, BARC:Bottom Anti Reflection Coating)을 형성한다. 여기서, 반사방지막(405)은 후속 감광막패턴 형성시 반사방지 역할을 하기 위한 것이다.Subsequently, a bottom anti reflection coating (BARC) is formed on the
이어서, 반사방지막(405) 상에 감광막패턴(406)을 형성한다. 여기서, 감광막패턴(406)은 반사방지막(405) 상에 감광막을 코팅하고 노광 및 현상으로 리세스 형성지역이 오픈되도록 패터닝하여 형성할 수 있다.Subsequently, a
도 4b에 도시된 바와 같이, 감광막패턴(406)으로 반사방지막(405), 비정질카본(404) 및 희생산화막(403)을 식각한다. As shown in FIG. 4B, the
여기서, 비정질카본(404)은 MERIE(Magnetically Enhanced Reactive Ion beam Etching) 타입의 플라즈마 장비에서 N2 및 O2의 혼합가스를 이용한 플라즈마를 사용하여 희생산화막(403)이 오픈되는 시점까지 식각한다.Here, the
이어서, 희생산화막(403)은 CF계 가스 및 CHF계 가스의 혼합가스에 산소가스를 첨가하여 형성한 플라즈마를 사용하여 식각한다. Subsequently, the
도 4c에 도시된 바와 같이, 감광막패턴(406), 반사방지막(405) 및 비정질카 본(404)을 제거한다. 여기서, 감광막패턴(406) 및 반사방지막(405)은 도 4b의 비정질카본(404) 및 희생산화막(403) 식각시 모두 소실되거나, 비정질카본(404) 제거시 함께 제거될 수 있다.As shown in FIG. 4C, the
여기서, 비정질카본(404)은 산소가스로 형성된 플라즈마를 사용하여 제거하되 산소가스는 200sccm∼1000sccm의 유량을 사용할 수 있다.Here, the
이어서, 희생산화막(403)을 식각배리어로 기판(401)을 식각하여 제1리세스패턴(407)을 형성함과 동시에 제1리세스패턴(407)을 포함하는 기판(401) 상에 플라즈마산화층(408)을 형성한다. 즉, 제1리세스패턴(407)을 형성하기 위한 식각가스와 플라즈마산화층(408)을 형성하기 위한 가스의 혼합가스를 주입하여 식각을 진행함으로써 제1리세스패턴(407)의 형성과 동시에 제1리세스패턴(407)을 포함하는 기판(401) 상에 플라즈마산화층(408)이 형성되는 것이다.Subsequently, the
특히, 제1리세스패턴(407)을 형성하기 위한 식각가스는 HBr을 사용할 수 있고, 플라즈마산화층(408)을 형성하기 위한 가스는 O2/N2 또는 O2/CHxFx의 혼합가스를 사용할 수 있다. 또한, CHxFx는 CHF3 또는 CH2F2를 사용할 수 있다. 바람직하게는 O2/N2의 혼합가스가 더 두꺼운 플라즈마산화층(408)을 형성할 수 있다.In particular, the etching gas for forming the
제1리세스패턴(407)과 플라즈마산화층(408)을 동시에 형성하기 위해 TCP(Transformer Coupled Plasma) 또는 ICP(Inductively Coupled Plasma)의 고밀도 플라즈마 장비에서 5mT∼20mT의 압력, 700W∼1500W의 소스파워, 200W∼500W의 바텀파워를 인가하여 200Å∼500Å의 깊이가 되도록 식각을 진행할 수 있다. 또한, TCP 또는 ICP 외에 MDS(Microwave Down Stream), ECR(Electron Cyclotron Resonance) 및 HELICAL의 그룹 중에서 선택된 어느 하나의 식각장비에서 실시할 수 있다.In order to simultaneously form the
위와 같이, 제1리세스패턴(407) 형성시 플라즈마산화층(408)을 형성하기 위한 가스인 O2/N2 또는 O2/CHxFx를 첨가하여 식각을 진행함으로써 식각과 동시에 식각에 의해 드러나는 기판(401) 표면에 플라즈마산화가 진행되어 별도의 플라즈마 산화공정을 거치지 않고도 플라즈마산화층(408)을 형성할 수 있다.As described above, when the
도 4d에 도시된 바와 같이, 제1리세스패턴(407) 바닥부의 플라즈마산화층(408)을 식각하여 제1리세스패턴(407)의 측벽에 플라즈마산화층(408)을 잔류시켜 측벽보호막(408A)을 형성한다. 여기서, 플라즈마산화층(408)의 식각은 전면식각으로 실시할 수 있다.As shown in FIG. 4D, the
도 4e에 도시된 바와 같이, 제1리세스패턴(407) 바닥부의 기판을 식각하여 제1리세스패턴(407) 보다 폭이 넓은 제2리세스패턴(409)을 형성한다.As shown in FIG. 4E, the substrate of the bottom portion of the
여기서, 제2리세스패턴(409)은 제1리세스패턴(408) 바닥부의 기판을 식각하여 제2리세스패턴(409)을 형성하는 공정과 제2리세스패턴(409)의 폭을 넓히는 공정으로 진행되고, 제1리세스패턴(407) 형성과 동일 챔버에서 인시튜(In-Situ)로 실시할 수 있다.Here, the
먼저, 제2리세스패턴(409)을 형성하기 위해 HBr 및 Cl2의 혼합가스를 사용하는데 HBr:Cl2의 유량비율을 0.5∼2:1로 혼합한 혼합가스를 사용하여 식각을 진행할 수 있다. 또한, 10mT∼30mT의 압력, 500W∼1000W의 탑파워, 200W∼500W의 바텀파워를 인가하여 제1리세스패턴(407)의 바닥부에서부터 700Å∼1000Å의 깊이를 식각하되 약간의 등방성식각(Small Isotropic Etch)을 실시하여 제2리세스패턴(409)의 가운데가 보잉프로파일(Bowing profile)을 갖도록 실시한다. 이는, 제1 및 제2리세스패턴(407, 409)과 인접하는 소자분리막(402) 사이에 형성되는 첨점을 최소화 하기 위함이다.First, a mixed gas of HBr and Cl 2 is used to form the
이어서, 제2리세스패턴(409)의 폭을 넓히기 위해 HBr 및 Cl2의 혼합가스에 O2 와 SF6, CF계가스 및 NF계 가스의 그룹 중에서 선택된 어느 하나의 혼합가스를 첨가하여 등방성식각을 실시하되, 20mT∼100mT의 압력, 500W∼1500W의 소스파워, 적어도 50W이하의 바텀파워를 인가하여 상기 제2리세스패턴의 폭을 10㎚∼15㎚만큼 넓힌다. Subsequently, in order to widen the width of the
위와 같이, 제1리세스패턴(407)보다 폭이 더 넓고 보잉 프로파일을 갖는 제2리세스패턴(409)을 형성하고 그 폭을 더 넓혀 줌으로써 제1 및 제2리세스패턴(407, 409)과 인접하는 소자분리막(402) 사이에 형성되는 첨점을 최소화 할 수 있다. 특히, 첨점이 형성되는 지점이 제2리세스패턴(409)이 형성되는 깊이이기 때문에 제1리세스패턴(407)의 측벽에는 측벽보호막(408A)을 형성하여 측벽을 보호하면서 제2리세스패턴(409)만 선택적으로 폭을 넓히기 때문에 미세패턴을 형성할 수 있다.As described above, the first and
도 4f에 도시된 바와 같이, 측벽보호막(408) 및 희생산화막(403)을 제거한다.As shown in FIG. 4F, the sidewall
이어서, 제1 및 제2리세스패턴(407, 409)을 포함하는 기판(401) 상에 게이트절연막(410)을 형성한다. 여기서, 게이트절연막(410)은 산화막으로 형성할 수 있다. 이때, 도 4e에서 제2리세스패턴(409)을 제1리세스패턴(407) 보다 폭이 넓게 보잉 프로파일로 형성함으로써 인접하는 소자분리막(402)과의 첨점을 최소화 하였기 때문에 게이트절연막(410)의 열화를 방지할 수 있다.Subsequently, a
이어서, 게이트절연막(410) 상에 제1 및 제2리세스패턴(407, 409)에 일부 매립되고 나머지는 기판(401) 상부로 돌출되는 게이트전극(411)을 형성한다. Subsequently, a
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 산화막을 나타내는 TEM사진이다.5A and 5B are TEM photographs showing an oxide film according to a preferred embodiment of the present invention.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 리세스패턴을 형성시 O2/N2 또는 O2/CH2F2를 첨가하여 형성된 산화막을 알 수 있다.As shown in FIGS. 5A and 5B, an oxide film formed by adding O 2 / N 2 or O 2 / CH 2 F 2 when forming a recess pattern may be known.
위와 같이, 본 발명에서 사용된 O2/N2 또는 O2/CH2F2의 혼합가스 모두 플라즈마산화층 형성이 가능하지만 O2/N2의 경우에 좀 더 두꺼운 산화층의 형성이 가능하다.As described above, the mixed gas of O 2 / N 2 or O 2 / CH 2 F 2 used in the present invention can form a plasma oxide layer, but in the case of O 2 / N 2 , a thicker oxide layer can be formed.
도 6a 및 도 6b는 종래 기술과 본 발명을 비교하기 위한 TEM사진이다.6A and 6B are TEM photographs for comparing the present invention with the prior art.
도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 도 6a에 종래 기술에서는 첨점(Horn)이 심한 것에 비하여 도 6b에 본 발명에서 리세스패턴과 인접하는 소자분리막의 첨점(Horn)이 거의 존재하지 않는 것을 알 수 있다. As shown in FIGS. 6A and 6B, in the prior art of FIG. 6A, there is almost no horn of an element isolation layer adjacent to the recess pattern in FIG. 6B in comparison to the recess pattern in the present invention. Able to know.
본 발명은 제1리세스패턴(407) 형성과 동시에 제1리세스패턴(407)의 측벽에 측벽보호막(408A)을 형성함으로써 제1리세스패턴(407) 바닥부를 식각하여 첨점(Horn)을 제거하기 위해 제1리세스패턴(407)보다 폭이 넓은 제2리세스패턴(409)을 형성하여도 제1리세스패턴(407)의 측벽을 보호할 수 있어서 미세패턴 형성이 가능한 장점이 있다.According to the present invention, the bottom portion of the
또한, 제2리세스패턴(409)을 등방성식각하여 폭을 넓힘으로써 제1 및 제2리세스패턴(407, 409)과 소자분리막(402)과 인접한 부분에 발생하는 첨점을 제거하여 게이트절연막(410)의 열화를 방지할 수 있어서, 게이트절연막(410)의 열화에 의해 스트레스 집중 지점으로 누설전류의 원인이 되는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.In addition, the width of the
또한, 제2리세스패턴(409)을 등방성식각함으로써 리세스패턴의 "V" 형 프로파일을 완화하여 첨점제거와 동시에 채널길이를 확보 및 이온주입 농도 감소할 수 있는 장점이 있다.In addition, by isotropically etching the
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 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.Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
상술한 본 발명은 반도체 소자가 초 미세 패턴화되는 과정에서 리세스패턴을 형성할 수 있는 사이즈의 감소 및 소자분리막의 갭필을 위하여 소자분리막을 경사 프로파일로 형성하여 리세스패턴과 인접하는 소자분리막 사이에 첨점(Horn)이 커지더라도 리세스패턴의 상부에 측벽보호막을 형성하여 리세스패턴의 하부가 상부보다 폭이 더 넓은 듀얼 프로파일의 리세스패턴을 형성하여 첨점을 최소화 시키는 효과가 있다.The present invention described above forms a device isolation film in an oblique profile for reducing the size of the recess pattern and gap fill of the device isolation film in the process of ultrafine patterning of the semiconductor device, and thus between the recess isolation pattern and the adjacent device isolation film. Even if the horn increases, a sidewall protective film is formed on the upper portion of the recess pattern, thereby forming a dual profile recess pattern having a wider width than the upper portion of the recess pattern, thereby minimizing steepness.
따라서, 게이트산화막의 특성 열화 및 이로 인해 스트레스 집중 지점이 되어 누설전류의 원인으로 작용하던 위크포인트(Weakpoint)가 사라지기 때문에 리세스패턴의 채널길이 확보 및 이온주입 농도 감소가 가능하여 소자의 리프레시 특성이 크게 개선되는 효과가 있다.Therefore, the deterioration of the characteristics of the gate oxide film and the stress concentration point, thereby causing the weak point that acted as a source of leakage current disappears, so that the channel length of the recess pattern and the ion implantation concentration can be reduced. This has the effect of greatly improving.
또한, 디자인 룰 확보, 프로세스 마진의 극대화라는 명제를 해결 가능케하여 로직(Logic)을 포함한 반도체 소자의 고집적화, 수율 향상, 생산 단가 하락을 가능하게 하는 효과가 있다.In addition, it is possible to solve the proposition of securing design rules and maximizing process margins, thereby enabling high integration of semiconductor devices including logic, improved yields, and lower production costs.
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KR1020060134299A KR100825028B1 (en) | 2006-12-27 | 2006-12-27 | Method of manufacturing a semiconductor device having a recess gate |
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- 2006-12-27 KR KR1020060134299A patent/KR100825028B1/en not_active IP Right Cessation
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