KR100909777B1 - Manufacturing Method of Semiconductor Device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 리세스 내부에 일정두께의 SEG막을 형성함으로써, 리세스의 선폭 조절이 가능하고, 이에 따라 후속 공정인 게이트 패턴 형성시 리세스와 게이트 전극 간의 오버랩 (Overlap) 마진을 확보할 수 있으며, 리세스의 선폭 감소로 인해 발생하는 혼(Horn)도 방지할 수 있어 셀 트랜지스터의 특성 및 신뢰성을 향상시키는 기술을 개시한다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and by forming a SEG film having a predetermined thickness inside the recess, the line width of the recess can be adjusted, and thus overlap between the recess and the gate electrode in the subsequent process of forming the gate pattern. Disclosed is a technique for securing margins and preventing horns caused by the reduction of the line width of the recesses, thereby improving the characteristics and reliability of the cell transistors.
Description
도 1a 내지 도 1c는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 제조 방법 및 그 문제점을 도시한 평면도, 단면도 및 사진. 1A to 1C are plan views, cross-sectional views and photographs showing a method of manufacturing a semiconductor device and a problem thereof according to the prior art.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 도시한 단면도. 2A to 2D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with a first embodiment of the present invention.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 도시한 단면도. 3A and 3B are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with a second embodiment of the present invention.
< 도면의 주요부분에 대한 부호 설명><Explanation of Signs of Major Parts of Drawings>
10, 100 : 반도체 기판 15, 115 : 소자분리막10, 100:
16 : 활성영역 17, 180 : 게이트 폴리실리콘층16: active region 17, 180: gate polysilicon layer
18, 190 : 게이트 금속층 19, 195 : 게이트 하드마스크층18, 190:
20, 200 : 게이트 패턴 25, 210 : 스페이서20, 200:
30 : 게이트 전극 110 : 라이너 질화막30
120 : 스크린 산화막 160 : 리세스 120: screen oxide film 160: recess
170a, 170b : SEG막 175 : 산화막 170a, 170b: SEG film 175: oxide film
본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 리세스 내부에 일정두께의 SEG막을 형성함으로써, 리세스의 선폭 조절이 가능하고, 이에 따라 후속 공정인 게이트 전극 형성시 리세스와 게이트 전극 간의 오버랩 (Overlap) 마진을 확보할 수 있으며, 리세스의 선폭 감소로 인해 발생하는 혼(Horn)도 방지할 수 있어 셀 트랜지스터의 특성 및 신뢰성을 향상시키는 기술을 개시한다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and by forming a SEG film having a predetermined thickness inside the recess, the line width of the recess can be adjusted, and thus overlap between the recess and the gate electrode in the subsequent process of forming the gate electrode. Disclosed is a technique for securing margins and preventing horns caused by the reduction of the line width of the recesses, thereby improving the characteristics and reliability of the cell transistors.
현재 디램 메모리 셀의 고집적화로 인하여 소자의 디자인 룰(design rule)이 감소됨에 따라, 셀 트랜지스터의 크기가 감소되어 트랜지스터의 채널 길이 또한 짧아지고 있다. 채널 길이가 짧아지게 되면, 트랜지스터의 숏채널 효과(Short-Channel Effect)를 심화시켜 문턱 전압을 감소시킨다.As the design rule of the device is reduced due to the high integration of DRAM memory cells, the size of the cell transistor is reduced and the channel length of the transistor is also shortened. As the channel length becomes shorter, the short-channel effect of the transistor is deepened to reduce the threshold voltage.
이에 따라, 종래에는 트랜지스터의 숏채널 효과(Short Channel Effect)로 인하여 문턱 전압이 감소하는 것을 방지하기 위해 채널의 도핑 농도를 증가시켜 원하는 크기의 문턱 전압을 얻을 수 있다. Accordingly, in order to prevent the threshold voltage from decreasing due to the short channel effect of the transistor, a threshold voltage of a desired magnitude may be obtained by increasing the doping concentration of the channel.
그러나, 이러한 채널 도핑 농도의 증가는 소오스 접합부에서의 전계 집중 현상을 유발하고, 누설 전류를 증가시켜 디램 메모리 셀의 리프레쉬 특성을 악화시키는 문제가 있다. However, such an increase in channel doping concentration causes a problem of electric field concentration at the source junction and increases leakage current, thereby degrading the refresh characteristics of the DRAM memory cell.
따라서, 이를 해결하기 위한 방안으로 최근에는 리세스 게이트(recess gate)를 갖는 트랜지스터에 대한 연구가 집중되고 있다.Therefore, in recent years, researches on transistors having recess gates have been concentrated in order to solve this problem.
도 1a 내지 도 1c는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 리세스 게이트 제조 방법 및 그 문제점을 도시한 평면도, 단면도 및 평면사진이다. 1A to 1C are a plan view, a cross-sectional view, and a plan view showing a recess gate manufacturing method and a problem thereof of a semiconductor device according to the prior art.
도 1a를 참조하면, 소자분리막(15)을 정의하는 활성영역(16) 및 게이트 전극(30)이 구비된 평면도이다. Referring to FIG. 1A, a plan view of an
이때, 활성영역(16)의 반도체 기판을 식각하여 형성된 리세스(미도시)와 게이트 전극(30)간에 오버랩 마진이 확보되지 않아 '40'과 같이 오정렬이 발생하는 문제점이 있다. In this case, since an overlap margin is not secured between the recess (not shown) formed by etching the semiconductor substrate of the
도 1b를 참조하면, 상기 '도 1a'의 X - X'에 따른 절단면을 도시한 단면도로써, 소자분리막(15)이 구비된 반도체 기판(10)을 식각하여 리세스(미도시)를 형성한다. Referring to FIG. 1B, a cross-sectional view of the cutting plane taken along the line 'X-X' of FIG. 1A is used to etch a
다음에, 상기 리세스(미도시)를 매립하는 게이트 폴리실리콘층(17), 게이트 금속층(18) 및 게이트 하드마스크층(19)의 적층구조를 형성한 후 식각하여 게이트 패턴(20)을 형성한다. Next, a stacked structure of the gate polysilicon layer 17, the gate metal layer 18, and the gate
그 다음에, 게이트 패턴(20)을 포함한 전체 상부에 스페이서층을 형성한 후 전면 식각하여 스페이서(25)가 구비되는 리세스 게이트(30)를 형성한다. Next, the spacer layer is formed on the entire surface including the
이때, 상기 리세스(미도시)와 게이트 전극 간에 오버랩 마진(Overlap Margin)이 확보되지 않아 '40'과 같이 오정렬된 리세스 게이트(30)가 형성되는 문제점이 있다. In this case, an overlap margin is not secured between the recess (not shown) and the gate electrode, thereby forming a
도 1c를 참조하면, 리세스 게이트가 형성된 모습을 도시한 SEM 사진으로, 리세스(미도시)와 게이트 전극 간에 '40'과 같이 오정렬(Misalign)이 발생된 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 1C, a SEM image showing a recess gate is formed, and it can be seen that misalignment occurs, such as '40', between a recess (not shown) and the gate electrode.
상술한 종래 기술에 따른 반도체 소자의 제조 방법에서, 디자인 룰이 감소되면서 리세스의 선폭이 감소되고, 리세스의 깊이가 깊어짐에 따라 리세스와 게이트 전극 간에 오버랩 마진이 확보되지 않아 오정렬이 발생하는 문제점이 있다. In the method of manufacturing a semiconductor device according to the related art described above, the line width of the recess is reduced as the design rule is reduced, and the overlap margin is not secured between the recess and the gate electrode as the depth of the recess is deep, thereby causing misalignment. There is this.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 리세스 내부에 일정두께의 SEG막을 형성함으로써, 리세스의 선폭 조절이 가능하고, 이에 따라 후속 공정인 게이트 전극 형성시 리세스와 게이트 전극 간의 오버랩 (Overlap) 마진을 확보할 수 있으며, 리세스의 선폭 감소로 인해 발생하는 혼(Horn)도 방지할 수 있어 셀 트랜지스터의 특성 및 신뢰성을 향상시키는 반도체 소자의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problem, by forming a SEG film having a predetermined thickness inside the recess, it is possible to adjust the line width of the recess, thereby securing an overlap margin between the recess and the gate electrode when forming the gate electrode, which is a subsequent process. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device, which can prevent a horn generated due to a decrease in line width of a recess, thereby improving characteristics and reliability of a cell transistor.
본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 Method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention
활성영역을 정의하는 소자분리막이 구비된 반도체 기판 상부에 패드 산화막을 형성하는 단계와,Forming a pad oxide layer on the semiconductor substrate having the device isolation layer defining an active region;
상기 패드 산화막 및 반도체 기판을 식각하여 리세스를 형성하는 단계와,Etching the pad oxide layer and the semiconductor substrate to form a recess;
상기 리세스 내부에 노출된 반도체 기판의 실리콘층을 성장시켜 SEG막을 형성하는 단계와,Growing a silicon layer of the semiconductor substrate exposed inside the recess to form an SEG film;
상기 리세스 내부에 게이트 산화막을 형성하는 단계와,Forming a gate oxide film in the recess;
상기 리세스를 포함하는 반도체 기판 전체 상부에 게이트 물질층을 형성한 후 식각하여 게이트 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하고,And forming a gate pattern by forming a gate material layer over the entire semiconductor substrate including the recess and then etching the gate material layer.
활성영역을 정의하는 소자분리막이 구비된 반도체 기판 상부에 패드 산화막을 형성하는 단계와,Forming a pad oxide layer on the semiconductor substrate having the device isolation layer defining an active region;
상기 패드 산화막 및 반도체 기판을 식각하여 리세스를 형성하는 단계와Etching the pad oxide layer and the semiconductor substrate to form a recess;
상기 리세스 저부에 산화막을 형성한 후 노출된 반도체 기판의 실리콘층을 성장시켜 일정두께의 SEG막을 형성하는 단계와,Forming an oxide film on the bottom of the recess and growing a silicon layer of the exposed semiconductor substrate to form a SEG film having a predetermined thickness;
상기 리세스 내부에 게이트 산화막을 형성하는 단계와,Forming a gate oxide film in the recess;
상기 리세스를 포함하는 반도체 기판 전체 상부에 게이트 물질층을 형성한 후 식각하여 게이트 패턴을 형성하는 단계와,Forming a gate pattern by forming a gate material layer over the entire semiconductor substrate including the recess and then etching the gate material layer;
상기 리세스의 깊이는 100 내지 2000Å인 것과, The depth of the recess is 100 to 2000 microns;
상기 SEG막은 750 내지 820℃의 온도에서 형성하는 것과, The SEG film is formed at a temperature of 750 to 820 ℃,
상기 SEG막의 두께는 300 내지 700Å인 것과, The thickness of the SEG film is from 300 to 700Å,
상기 SEG막은 B, BF2 또는 이들의 조합 중 선택된 어느 하나를 사용하여 도핑시키는 단계를 더 포함하는 것과, The SEG film further comprises the step of doping using any one selected from B, BF2 or a combination thereof,
상기 리세스 저부에 산화막을 형성하는 단계는 상기 리세스를 포함하는 반도체 기판 전체 상부에 산화막을 형성하고, 전면 식각으로 상기 리세스 저부에만 산화막을 남기는 단계를 더 포함하는 것과, The forming of the oxide film on the bottom of the recess further includes forming an oxide film over the entire semiconductor substrate including the recess, and leaving an oxide film only on the bottom of the recess by full etching.
상기 산화막은 PE-TEOS, LP-TEOS, HDP, SOD 또는 이들의 조합 중 선택된 어느 하나로 형성하는 것과, The oxide film is formed of any one selected from PE-TEOS, LP-TEOS, HDP, SOD or a combination thereof,
상기 산화막은 리세스 저부로부터 1/2 내지 2/3 정도 남겨지는 것을 특징으 로 한다. The oxide film is characterized in that it is left 1/2 to 2/3 from the bottom of the recess.
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 2d는 본 발명의 제 1 실시예 따른 반도체 소자의 리세스 게이트 형성 방법을 도시한 단면도이다.2A to 2D are cross-sectional views illustrating a method of forming a recess gate in a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
도 2a를 참조하면, 활성영역을 정의하는 소자분리막(115) 및 활성영역과 소자분리막(115) 경계면에 측벽 산화막(미도시) 및 라이너 질화막(110) 구비된 반도체 기판(100) 상부에 패드 산화막(120)을 형성한다. Referring to FIG. 2A, a pad oxide layer is formed on an upper portion of a
도 2b를 참조하면, 반도체 기판(100) 상부에 리세스 영역을 정의하는 하드마스크층 패턴(미도시)을 형성한다. Referring to FIG. 2B, a hard mask layer pattern (not shown) defining a recessed region is formed on the
다음에. 하드마스크층 패턴(미도시)을 식각 마스크로 패드 산화막(120) 및 반도체 기판(100)을 식각하여 리세스(160)를 형성한다. Next. The
이때, 상기 하드마스크층 패턴(미도시)은 비정질 탄소층(A-Carbon) 및 실리콘 산화질화막(SiON)의 적층 구조이며, 리세스(160)는 1000 내지 2000Å의 깊이로 형성한다. In this case, the hard mask layer pattern (not shown) is a laminated structure of an amorphous carbon layer (A-Carbon) and silicon oxynitride layer (SiON), the
도 2c를 참조하면, 리세스(160) 내부에 노출된 반도체 기판(100)의 실리콘층을 성장시켜 SEG(Silicon Epitaxial Growth)막(170a)을 형성한다. Referring to FIG. 2C, a silicon layer of the
이때, 반도체 기판(100) 상부에는 패드 산화막(120)이 형성되어 있으므로, 리세스(160) 내부에만 SEG막(170a)이 성장된다. In this case, since the
여기서, SEG막(170a)은 480 내지 820℃의 온도에서 300 내지 700Å의 두께로 형성된다. Here, the
다음에, B, BF2 또는 이들의 조합 중 선택된 어느 하나를 사용하여 도핑시키는 단계를 더 포함한다. Next, the method further comprises doping using any one selected from B, BF2, or a combination thereof.
상기 도핑 공정은 언도프드(Undoped) 또는 채널 도핑(Channel Doping) 농도로 하고, 인시투(In-situ) 또는 익스 시투(Ex-situ) 공정으로 진행하는 것이 바람직하다. The doping process may be performed in an undoped or channel doping concentration, and proceeded to an in-situ or ex-situ process.
도 2d를 참조하면, 리세스(160) 내부에 게이트 산화막(미도시)을 형성하고, 리세스(160)를 포함하는 반도체 기판(100) 전체 상부에 게이트 폴리실리콘층(180), 게이트 금속층(190) 및 게이트 하드마스크층(195)의 적층구조를 형성한 후 식각하여 게이트 패턴(200)을 형성한다. Referring to FIG. 2D, a gate oxide layer (not shown) is formed in the
다음에, 게이트 패턴(200)을 포함하는 전체 상부에 스페이서층(미도시)를 형성하고, 전면식각 공정을 수행하여 측벽에 질화막 스페이서(210)가 구비된 리세스 게이트를 형성한다. Next, a spacer layer (not shown) is formed over the entire surface including the
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제 2 실시예 따른 반도체 소자의 리세스 게이트 형성 방법을 도시한 단면도이다.3A and 3B are cross-sectional views illustrating a method of forming a recess gate of a semiconductor device in accordance with a second embodiment of the present invention.
도 3a를 참조하면, 상기 '도 2a' 및 '도 2b'와 동일한 공정으로 형성된 리세스(160)가 구비된 반도체 기판(100) 전체 상부에 리세스(160)가 매립되도록 산화막(미도시)을 형성한다. Referring to FIG. 3A, an oxide layer (not shown) may be formed so that the
다음에, 전면 식각 또는 평탄화 식각공정으로 산화막(미도시)을 식각하여 리세스(160) 저부에만 산화막(175)이 남겨지도록 한다. Next, the oxide layer (not shown) is etched by the entire surface etching or the planarization etching process so that the
여기서, 산화막(175)은 PE-TEOS, LP-TEOS, HDP, SOD 또는 이들의 조합 중 선택된 어느 하나로 형성하며, 산화막(175) 식각 공정은 리세스(160) 저부로부터 1/2 내지 2/3 정도의 두께가 남겨지도록 수행한다. Here, the
그 다음에, 리세스(160) 내부에 산화막(175)이 형성되지 않아 노출된 반도체 기판(100)의 실리콘층을 성장시켜 SEG막(170b)을 형성한다.Next, an
이때, 반도체 기판(100) 상부에는 패드 산화막(125)가 형성되어 있으며, 리세스(160) 저부에는 산화막(175)가 매립되어 있으므로, 리세스(160) 상부의 측벽 일부에만 SEG막(170b)가 성장된다. In this case, since the pad oxide film 125 is formed on the
도 3b를 참조하면, 리세스(160) 내부에 게이트 산화막(미도시)을 형성하고, 리세스(160)를 포함하는 반도체 기판(100) 전체 상부에 게이트 폴리실리콘층(180), 게이트 금속층(190) 및 게이트 하드마스크층(195)의 적층구조를 형성한 후 식각하여 게이트 패턴(200)을 형성한다. Referring to FIG. 3B, a gate oxide layer (not shown) is formed in the
다음에, 게이트 패턴(200)을 포함하는 전체 상부에 스페이서층(미도시)를 형성하고, 전면 식각 공정을 수행하여 측벽에 질화막 스페이서(210)가 구비된 리세스 게이트를 형성한다. Next, a spacer layer (not shown) is formed over the entire surface including the
본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 리세스 내부에 일정두께의 SEG막을 형성함으로써, 리세스의 선폭 조절이 가능하고, 이에 따라 후속 공정인 게이트 전극 형성시 리세스와 게이트 전극 간의 오버랩 (Overlap) 마진을 확보할 수 있으며, 리세스의 선폭 감소로 인해 발생하는 혼(Horn)도 방지할 수 있어 셀 트랜지스 터의 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, by forming a SEG film having a predetermined thickness inside the recess, the line width of the recess can be adjusted, and thus, an overlap margin between the recess and the gate electrode when forming the gate electrode, which is a subsequent process, is formed. In addition, the horn generated due to the reduction of the line width of the recess can be prevented, thereby improving the characteristics and reliability of the cell transistor.
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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