KR100924633B1 - Method of manufacturing a semiconductor memory device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 소자 분리막 및 게이트 패턴이 형성된 반도체 기판을 제공하는 단계, 게이트 패턴 사이에 절연막을 채우는 단계, 절연막 및 게이트 패턴 상부에 지지막 패턴을 형성하는 단계, 절연막을 제거하는 단계, 게이트 패턴을 포함한 반도체 기판의 표면을 따라 캡핑막을 형성하는 단계, 게이트 패턴의 측벽에 캡핑막이 잔류되도록 식각 공정을 실시하는 단계를 포함하는 반도체 메모리 소자의 제조 방법으로 이루어진다.The present invention provides a semiconductor substrate having a device isolation layer and a gate pattern formed thereon, including filling an insulating film between the gate patterns, forming a support layer pattern on the insulating film and the gate pattern, removing the insulating film, and a gate pattern. And forming a capping film along the surface of the semiconductor substrate, and performing an etching process so that the capping film remains on the sidewall of the gate pattern.
게이트 패턴, 기울기, 지지막, 질화막, 절연막, 등방성 식각 공정, 이방성 식각 공정 Gate pattern, slope, support film, nitride film, insulating film, isotropic etching process, anisotropic etching process
Description
본 발명은 반도체 메모리 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 게이트 패턴 상에 지지막 패턴을 형성하여 후속 공정 시, 게이트 패턴의 기울어지는 현상을 개선할 수 있는 반도체 메모리 소자의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor memory device, and more particularly, to a method of manufacturing a semiconductor memory device capable of improving the inclination of a gate pattern in a subsequent process by forming a support layer pattern on a gate pattern.
반도체 메모리 소자는 일반적으로 메모리 소자가 형성되는 활성 영역과 메모리 소자들을 격리시키는 소자 분리 영역으로 구분될 수 있다. 이 중에서, 활성 영역 상에는 게이트 절연막, 제1 게이트 전극막, 제2 게이트 전극막 및 하드 마스크 패턴이 형성된다. 반도체 소자의 집적도가 증가함에 따라, 쇼트 채널 특성을 보완하기 위하여 활성 영역 내에 다수의 리세스 구조를 갖는 듀얼 리세스(dual recess) 구조의 반도체 소자를 제조하게 되었다. 듀얼 리세스 구조는 활성 영역 내에 다수의(예를 들면, 2 개) 트렌치를 형성하고, 각각의 트렌치 상에 게이트 전극막 패턴을 형성함으로써 게이트 패턴의 폭 및 게이트 패턴 간의 간격이 좁아지더라도 게이 트 폭에 비해 채널 영역을 길게 형성할 수 있다.In general, a semiconductor memory device may be divided into an active region where a memory device is formed and an isolation region that isolates the memory devices. Among them, a gate insulating film, a first gate electrode film, a second gate electrode film, and a hard mask pattern are formed on the active region. As the degree of integration of semiconductor devices increases, a semiconductor device having a dual recess structure having a plurality of recess structures in an active region is manufactured to compensate for short channel characteristics. The dual recess structure forms a plurality of (e.g., two) trenches in the active region and forms a gate electrode film pattern on each trench, even if the width of the gate pattern and the gap between the gate patterns become narrow. The channel region may be formed longer than the width.
한편, 반도체 소자의 집적도가 증가할수록 게이트의 폭은 좁아지게 되는데, 게이트의 폭이 좁아짐에 따라 게이트 패턴을 반도체 기판에 대하여 수직으로 지탱하기가 어려워지고 있다. 특히, 게이트 패터닝 공정 후 실시하는 캡핑막 형성 공정 시 고온의 열이 가해지는데, 이러한 고온 공정에 의해 가늘고 높은 게이트 패턴은 수직 상태를 지탱하는 힘을 잃어버리면서 옆으로 기울어질 수 있다. On the other hand, as the degree of integration of semiconductor devices increases, the width of the gate becomes narrower. As the width of the gate becomes narrower, it becomes difficult to support the gate pattern perpendicularly to the semiconductor substrate. In particular, high temperature heat is applied during the capping film formation process performed after the gate patterning process, and the thin and high gate pattern may be inclined sideways while losing the force supporting the vertical state.
이처럼 기울어진 게이트 패턴은 이웃하는 게이트 접할 경우 브릿지(bridge)를 유발할 수 있으며, 접하지 않더라도 게이트 패턴 간의 상부 폭을 좁힘으로써 후속 갭필(gap fill) 공정을 어렵게 할 수 있다.The inclined gate pattern may cause a bridge when adjacent gates come into contact with each other, and may make a subsequent gap fill process difficult by narrowing the upper width between the gate patterns even if they do not contact each other.
본 발명은 게이트 패턴 상부에 지지막을 형성함으로써 각각의 게이트 패턴들이 지지막 패턴에 의해 지탱하도록 하여, 후속 고온 공정 시 게이트 패턴들이 기울어지는 현상을 방지할 수 있다. According to the present invention, a support layer is formed on the gate pattern so that each gate pattern is supported by the support layer pattern, thereby preventing the gate patterns from tilting during a subsequent high temperature process.
본 발명에 따른 반도체 메모리 소자의 제조 방법은, 소자 분리막 및 게이트 패턴이 형성된 반도체 기판을 제공한다. 게이트 패턴 사이에 절연막을 채운다. 절연막 및 게이트 패턴 상부에 지지막 패턴을 형성한다. 절연막을 제거한다. 게이트 패턴을 포함한 반도체 기판의 표면을 따라 캡핑막을 형성한다. 게이트 패턴의 측벽에 캡핑막이 잔류되도록 식각 공정을 실시하는 단계를 포함하는 반도체 메모리 소자의 제조 방법으로 이루어진다. A method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention provides a semiconductor substrate on which an element isolation film and a gate pattern are formed. An insulating film is filled between the gate patterns. A support layer pattern is formed on the insulating layer and the gate pattern. Remove the insulating film. A capping film is formed along the surface of the semiconductor substrate including the gate pattern. A method of manufacturing a semiconductor memory device comprising performing an etching process such that a capping film remains on sidewalls of a gate pattern.
캡핑막이 잔류되도록 식각 공정을 실시하는 공정 시, 지지막 패턴도 제거하며, 게이트 패턴을 형성하는 단계는, 소자 분리막이 형성된 반도체 기판상에 게이트 도전막, 베리어층, 게이트 전극막 및 하드 마스크 패턴을 형성한다. 하드 마스크 패턴에 따라 식각 공정을 실시하여 게이트 전극막 및 베리어층을 패터닝 하는 단계를 포함한다. In the process of performing the etching process so that the capping layer remains, the support layer pattern is also removed, and the forming of the gate pattern includes forming a gate conductive layer, a barrier layer, a gate electrode layer, and a hard mask pattern on the semiconductor substrate on which the device isolation layer is formed. Form. Patterning the gate electrode layer and the barrier layer by performing an etching process according to the hard mask pattern.
게이트 패턴의 측벽에 캡핑막이 잔류되도록 식각 공정을 실시하고, 노출된 게이트 도전막을 패터닝한다.An etching process is performed such that the capping film remains on the sidewall of the gate pattern, and the exposed gate conductive film is patterned.
절연막을 채우는 단계는, 게이트 패턴의 사이가 채워지도록 반도체 기판상에 절연막을 형성한다. 게이트 패턴의 상부가 노출되도록 절연막을 연마하는 단계를 포함한다.In the step of filling the insulating film, an insulating film is formed on the semiconductor substrate to fill the gap between the gate patterns. Polishing the insulating layer to expose the upper portion of the gate pattern.
절연막은 산화막으로 형성하며, 지지막 패턴 형성 공정은, 절연막 및 게이트 패턴 상부에 지지막을 형성한다. 지지막 상부에 반사 방지막 및 하드 마스크 패턴을 형성한다. 하드 마스크 패턴에 따라 반사 방지막 및 지지막을 패터닝 한다. 하드 마스크 패턴 및 반사 방지막을 제거하는 단계를 포함한다. The insulating film is formed of an oxide film, and the supporting film pattern forming step forms a supporting film on the insulating film and the gate pattern. An antireflection film and a hard mask pattern are formed on the support film. The antireflection film and the support film are patterned according to the hard mask pattern. Removing the hard mask pattern and the anti-reflection film.
하드 마스크 패턴은 소자 분리 영역이 개방된 패턴을 가지며, 지지막 패턴은 질화막으로 형성한다. 이때, 지지막 패턴은 50Å 내지 100Å의 두께로 형성한다.The hard mask pattern has a pattern in which the device isolation region is open, and the support film pattern is formed of a nitride film. At this time, the support film pattern is formed to a thickness of 50 kPa to 100 kPa.
절연막을 제거하는 공정은 등방성 습식 식각 공정으로 실시하고, 캡핑막은 화학적 기상 증착법(CVD)으로 형성한다.The process of removing the insulating film is performed by an isotropic wet etching process, and the capping film is formed by chemical vapor deposition (CVD).
본 발명은 게이트 패턴을 지지막 패턴이 지탱시키도록 하여 고온을 요구하는 공정 시 게이트 패턴이 기울어지는 현상을 방지할 수 있고, 게이트 패턴의 집적도를 증가시킬 수 있다. 이로 인해, 이웃하는 게이트 패턴 간 브릿지 발생을 억제시킬 수 있으며, 게이트 상부 간의 간격이 좁아지는 것을 방지함으로써 갭필 공정을 용이하게 실시할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the support pattern may support the gate pattern, thereby preventing the gate pattern from being inclined during a process requiring high temperature, and increasing the degree of integration of the gate pattern. For this reason, bridge | bridging generation between adjacent gate patterns can be suppressed and a gap fill process can be performed easily by preventing the space | interval between gate upper parts becoming narrow.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a preferred embodiment of the present invention. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be implemented in various forms, and only the present embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention and to those skilled in the art. It is provided for complete information.
도 1a 내지 도 1g는 본 발명에 따른 반도체 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이고, 도 2a 내지 도 2g는 본 발명에 따른 반도체 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 레이아웃도이다. 특히, 도 1a 내지 도 1g는 도 2a 내지 도 2g에서 A-A'방향의 단면을 나타낸 단면도이다.1A to 1G are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention, and FIGS. 2A to 2G are layout views illustrating a method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention. In particular, FIGS. 1A to 1G are cross-sectional views illustrating a cross section taken along the line AA ′ in FIGS. 2A to 2G.
도 1a 및 도 2a를 참조하면, 활성 영역(100a)이 정의되고 소자 분리 영역에 절연막의 소자 분리막(102)이 형성된 반도체 기판(100)을 제공한다. 활성 영역(100a)에 트렌치(trench; 103)를 형성한다. 트렌치(103)가 형성된 반도체 기판(100)의 표면을 따라 게이트 절연막(104)을 형성한다. 게이트 절연막(104)은 산화막으로 형성할 수 있으며, 게이트 절연막(104) 상부에 게이트 도전막(106), 베리어층(108), 게이트 전극막(110) 및 하드 마스크 패턴(112)을 순차적으로 형성한다. 게이트 도전막(106)은 폴리실리콘막으로 형성하는 것이 바람직하며, 베리어층(108)은 WN 또는 TiN을 사용하여 형성할 수 있다. 게이트 전극막(110)은 금속막으로 형성할 수 있다. 예를 들면, 금속막은 텅스텐(tungsten; W)으로 형성하는 것이 바람직하다. 1A and 2A, a
게이트 라인 패턴을 갖는 하드 마스크 패턴(112)에 따라 식각 공정을 실시하 여 게이트 전극막(110), 베리어층(108)을 게이트 라인 형태로 패터닝 한다. 패터닝 공정에 의해 게이트 전극막(110) 사이에서 게이트 도전막(106)의 일부가 노출된다. 게이트 도전막(106)은 식각 공정 시 텅스텐의 이상 산화 발생을 줄이기 위하여 이후에 패터닝 한다. An etching process is performed according to the
도 1b 및 도 2b를 참조하면, 하드 마스크 패턴(112) 사이가 모두 채워지도록 절연막(114)을 형성한다. 절연막(114)은 산화막으로 형성할 수 있다. 구체적으로 설명하면, 하드 마스크 패턴(112) 사이가 채워지도록 절연막(114)을 형성한 후 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing; CMP) 공정을 실시하여 절연막(114)의 일부를 제거함으로써, 하드 마스크 패턴(112)의 상부가 노출됨과 동시에 절연막(114)은 하드 마스크 패턴(112) 사이의 게이트 도전막(106) 상에만 잔류된다. 하드 마스크 패턴(112)이 노출된 반도체 기판(100) 상부에 게이트 패턴의 기울어짐을 방지하기 위한 지지막(116)을 형성한다. 지지막(116)은 질화막(nitride)을 사용하여 50Å 내지 100Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.1B and 2B, an
도 1c 및 도 2c를 참조하면, 지지막(116)의 상부에 노광 공정을 위한 반사 방지막(118)을 형성하고, 반사 방지막(118) 상부에 지지막(116)의 일부를 제거하기 위하여 개방 영역(120a)이 형성된 마스크 패턴(120)을 형성한다. Referring to FIGS. 1C and 2C, an
마스크 패턴(120)의 개방 영역(120a)을 통하여 후속 공정 시 절연막(114)을 제거할 때 식각액이 공급되는데, 활성 영역(100a) 또는 소자 분리막(102) 중 어느 하나의 영역을 개방시킬 수 있다. 본 도면에서는 일 실시 예로, 소자 분리막(102) 상에 개방 영역(120a)이 형성된 마스크 패턴(120)을 사용하도록 한다.An etchant is supplied when the
도 1d 및 도 2d를 참조하면, 마스크 패턴(120)에 따라 식각 공정을 실시하여 반사 방지막(118) 및 지지막(116)을 패터닝한다. 이로써, 소자 분리막(102)의 상부에 형성된 절연막(114) 및 하드 마스크 패턴(112)의 일부가 지지막(116)의 개방 영역(도 2c의 120a)을 통해 노출된다. 이어서, 마스크 패턴(120) 및 반사 방지막(118)을 제거한다. 이로써, 활성 영역(100a) 상에 지지막 패턴(116a)이 잔류된다. 지지막 패턴(116a)의 개방 영역으로는 하드 마스크 패턴(112) 및 절연막(114)의 일부가 노출된다.1D and 2D, an
도 1e 및 도 2e를 참조하면, 식각 공정을 실시하여 하드 마스크 패턴(112) 사이에 잔류하는 절연막(도 1d의 114)을 제거한다. 식각 공정은 절연막에 대한 식각 선택비가 높은 습식 식각 공정으로 실시하는 것이 바람직하다. 습식 식각 공정은 등방성 식각 공정이므로, 지지막 패턴(116a)의 개방 영역을 통해 식각액이 공급되어 지지막 패턴(116a)의 하부에 형성되었던 절연막(도 1d의 114)도 모두 제거할 수 있다. 이로 인해, 활성 영역(100a)에 형성된 하드 마스크 패턴(112)의 상부에 지지막 패턴(116a)이 잔류하여 하드 마스크 패턴(112)을 지탱시켜 주는 역할을 한다.1E and 2E, an etching process is performed to remove the insulating film 114 (FIG. 1D) remaining between the
도 1f 및 도 2f를 참조하면, 지지막 패턴(116a)이 잔류된 반도체 기판(100)의 표면을 따라 캡핑막(122)을 형성한다. 캡핑막(122)은 텅스텐(tungsten; W)으로 형성된 게이트 전극막(110)의 이상 산화를 방지하기 위하여 형성한다. 캡핑막(122)은 질화막으로 형성할 수 있으며, 화학적 기상 증착법(chemical vapor deposition; 이하 CVD)으로 형성하는 것이 바람직하다. 화학적 기상 증착법(CVD)은 단차 피복성 이 우수하여 미세한 패턴의 사이마다 막(layer)을 용이하게 형성시킬 수 있는데, 이를 이용하여 지지막 패턴(116a)의 하부에 형성된 패턴의 표면에까지 캡핑막(122)을 고르게 형성할 수 있다.1F and 2F, the
화학적 기상 증착법(CVD)을 이용한 캡핑막(122) 형성 공정 시 고온의 열이 가해지는데, 이러한 고온에 의해 가늘고 높은 게이트 패턴이 기울어지는 현상이 발생할 수 있다. 하지만, 게이트 패턴들의 상부에(예를 들어, 하드 마스크 패턴(112)) 형성된 지지막 패턴(116a)이 하드 마스크 패턴(112)을 상부에서 지탱시켜 주므로, 게이트 패턴이 기울어지는 현상을 방지할 수 있다.In the process of forming the
구체적으로, 도 2e를 참조하면, 지지막 패턴(116a)은 하드 마스크 패턴(112)의 상부에서 하드 마스크 패턴(112)을 지탱시켜 줌으로써, 하드 마스크 패턴(112)들을 고정시키는 역할을 한다. 따라서, 고온을 요구하는 공정에서도 게이트 패턴은 기울어 지지 않고 반도체 기판(100)과 수직 구조를 유지할 수 있다. Specifically, referring to FIG. 2E, the
도 1g 및 도 2g를 참조하면, 게이트 패턴을 형성하기 위하여 게이트 도전막(106)을 패터닝 한다. 패터닝 공정은 이방성 건식 식각 공정으로 실시하는 것이 바람직하다. 구체적으로 설명하면, 이방성 건식 식각 공정을 실시하여 게이트 패턴 측벽의 캡핑막(122)을 제외한 나머지 캡핑막(122) 및 지지막 패턴(도 1f의 116a)을 제거한다. 이어서, 노출된 게이트 도전막(106)을 패터닝하여 활성 영역(100a) 및 소자 분리막(102)의 일부가 노출되도록 한다. 1G and 2G, the gate
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명은 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical spirit of the present invention described above has been described in detail in a preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, the present invention will be understood by those skilled in the art that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
도 1a 내지 도 1g는 본 발명에 따른 반도체 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.1A to 1G are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명에 따른 반도체 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 레이아웃도이다.2A to 2G are layout views illustrating a method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100 : 반도체 기판 100a : 활성 영역100
102 : 소자 분리막 104 : 게이트 절연막102
106 : 게이트 도전막 108 : 베리어층106: gate conductive film 108: barrier layer
110 : 게이트 전극막 112 : 하드 마스크 패턴110: gate electrode film 112: hard mask pattern
114 : 절연막 116 : 지지막114: insulating film 116: support film
118 : 반사 방지막 120 : 마스크 패턴118: antireflection film 120: mask pattern
122 : 캡핑막122: capping film
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |