KR101024754B1 - Semiconductor device and method for forming the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자 및 그 형성 방법에 관한 것으로, 초고집적 반도체 소자에 적합한 채널 길이를 확보할 수 있도록 하기 위하여, 더블 벌브형 리세스 게이트 영역을 형성함으로써 리세스 게이트를 형성하는 공정 마진을 개선할 수 있고, 게이트의 채널 길이를 효율적으로 증가시킬 수 있도록 하는 기술이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a method of forming the same, and to improve a process length for forming a recess gate by forming a double bulb type recess gate region so as to secure a channel length suitable for an ultra-high density semiconductor device. It is possible to increase the channel length of the gate efficiently.
Description
도 1a 내지 도 1f 는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 형성 방법을 도시한 단면도. 1A to 1F are cross-sectional views showing a method of forming a semiconductor device according to the prior art.
도 2a 내지 도 2i 는 본 발명에 따른 반도체 소자의 형성 방법을 도시한 단면도. 2A to 2I are cross-sectional views illustrating a method of forming a semiconductor device in accordance with the present invention.
본 발명은 반도체 소자 및 그 형성 방법에 관한 것으로, 초고집적 반도체 소자에 있어서 리세스 게이트 영역을 이중구조로 형성하여 후속 공정으로 형성되는 리세스 게이트의 채널 길이를 증가시킬 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a method for forming the same, and more particularly, to a technique for increasing a channel length of a recess gate formed by a subsequent process by forming a recess gate region in a double structure in an ultra-high density semiconductor device. .
반도체 소자가 고집적화됨에 따라 게이트의 선폭이 좁아지면서 채널 길이의 감소로 반도체 소자의 전기적 특성이 저하되는 현상이 유발된다. As the semiconductor devices are highly integrated, the line width of the gate is narrowed, and the reduction of the channel length causes the phenomenon that the electrical characteristics of the semiconductor device are degraded.
이를 극복하기 위하여 최근에는 리세스 게이트를 사용하게 되었다. Recently, recess gates have been used to overcome this problem.
리세스 게이트는 게이트 예정 영역의 반도체 기판을 소정 깊이 식각하여 활성영역과 게이트 사이의 접촉면적을 증가시킴으로써 게이트 채널 길이를 증가시킬 수 있는 기술이다.The recess gate is a technique capable of increasing the gate channel length by etching the semiconductor substrate in the gate predetermined region by a predetermined depth to increase the contact area between the active region and the gate.
그러나, 일반적인 게이트 구조는 리세스 게이트 영역과 게이트와의 오정렬에 의하여 리세스 게이트 영역에서 누설전류가 발생하는 문제가 있다. 따라서, 리세스 게이트 영역을 벌브(Bulb)형으로 형성하는 리세스 게이트 형성 방법이 개발되었다.However, the general gate structure has a problem in that leakage current is generated in the recess gate region due to misalignment between the recess gate region and the gate. Thus, a recess gate forming method for forming the recess gate region in the shape of a bulb has been developed.
벌브형 리세스 게이트 형성공정은 아래와 같은 방법으로 형성한다. The bulb type recess gate forming process is formed in the following manner.
먼저, 반도체 기판의 활성영역을 정의하고, 반도체 소자의 전기적 특성 향상을 위하여 활성영역에 불순물 이온 주입 공정을 수행한다. First, an active region of a semiconductor substrate is defined, and an impurity ion implantation process is performed in an active region to improve electrical characteristics of the semiconductor device.
다음에는, 활성영역의 게이트 예정 영역을 부분 식각하여 제 1 리세스 게이트 영역을 형성하고, 제 1 리세스 게이트 영역의 측벽에 열산화막을 형성한다. Next, the gate predetermined region of the active region is partially etched to form a first recess gate region, and a thermal oxide film is formed on sidewalls of the first recess gate region.
그 다음에는, 열산화막을 식각 베리어로 이용하여 제 1 리세스 게이트 영역의 하부 반도체 기판을 소정 깊이 등방성 식각하여 제 2 리세스 게이트 영역을 형성한다. 이와 같이, 목(Neck) 모양의 제 1 리세스 게이트와 몸통(Body) 부분이 되는 제 2 리세스 게이트가 결합되어 하나의 리세스 게이트 영역이 되는 벌브형 리세스 게이트 영역을 형성한다. Next, using the thermal oxide film as an etching barrier, the lower semiconductor substrate of the first recess gate region isotropically etched to a predetermined depth to form a second recess gate region. In this way, the neck-shaped first recess gate and the second recess gate serving as the body portion are combined to form a bulb-type recess gate region which becomes one recess gate region.
도 1a 내지 도 1f는 종래기술에 따른 반도체 소자의 리세스 게이트 형성 방법을 도시한 단면도들이다.1A to 1F are cross-sectional views illustrating a method of forming a recess gate of a semiconductor device according to the related art.
도 1a를 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 활성영역(120)을 정의하는 소자분리막(110)을 형성한다. 이때, 소자분리막(110)은 STI(Shallow Trench Isolation) 공정을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다. 다음에는, 활성영역(120)에 채널 이온주입 공정을 수행한다.Referring to FIG. 1A, an
그 다음에는, 반도체 기판(100) 상부에 산화막층(130) 및 하드마스크층(140)을 순차적으로 형성하고, 하드마스크층(140) 상부에 반사방지막(145)을 형성한다. 그 다음에는, 반사방지막(145) 상부에 리세스 게이트 예정 영역을 정의하는 감광막패턴(150)을 형성한다.Next, the
도 1b를 참조하면, 감광막 패턴(150)을 마스크로 반사방지막(145), 하드마스크층(140), 산화막층(130) 및 반도체 기판(100)을 순차적으로 식각하여 제 1 리세스 게이트 영역(160)을 형성한다. 이때, 제 1 리세스 게이트 영역(160)은 400 ~ 5000 Å 깊이로 형성하는 것이 바람직하다. 다음에는, 감광막 패턴(150), 반사방지막(145) 및 하드마스크층(140)을 제거한다.Referring to FIG. 1B, the
도 1c를 참조하면, 제 1 리세스 게이트 영역(160)을 포함하는 반도체 기판(100) 전체 표면에 베리어막을 형성한다. 이때, 베리어막은 Al2O3막, HfO2막 및 이들의 복합 구조 중 선택된 어느 하나를 이용하여 300 ~ 400 ℃ 의 온도에서 ALD 방식으로 증착한다. 다음에는, 전면 식각 공정을 이용하여 산화막층(130) 및 제 1 리세스 게이트 영역(160) 하부의 베리어막을 제거하여, 측벽 베리어막(170)을 형성한다. 이때, 측벽 베리어막은 30 ~ 300Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 여기서, 측벽 베리어막(170)을 저온(300 ~ 400℃)에서 형성함으로써, 채널 임플란트 이온들이 활성영역(120) 내부로 확산되어 반도체 소자의 전기적 특성이 저하되는 문제를 해결할 수 있고, ALD 방식을 이용함으로써 측벽 베리어막(170)의 단차피복성(Step Coverage)을 향상시킬 수 있다.Referring to FIG. 1C, a barrier film is formed on the entire surface of the
도 1d를 참조하면, 제 1 리세스 게이트 영역(160) 하부의 노출된 반도체 기 판(100), 즉 제1 리세스 게이트 영역(160)의 저부를 등방성 식각하여 구형의 제 2 리세스 게이트 영역(180)을 형성한다. 이때, 제 2 리세스 게이트 영역(180)은 400 ~ 5000 Å 의 깊이로 식각하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 1D, a spherical second recess gate region isotropically etched by etching the bottom of the exposed
도 1e를 참조하면, 반도체 기판(100) 상부의 산화막층(130)을 제거하여, 제 1 리세스 게이트 영역(160) 및 제 2 리세스 게이트 영역(180)으로 구성되는 벌브(Bulb)형 리세스 게이트 영역(190)을 형성한다. 여기서, 제 1 리세스 게이트 영역(160)은 벌브형 리세스 게이트의 목(Neck) 부분이 되고, 제 2 리세스 게이트 영역(180)은 벌브형 리세스 게이트의 몸통(Body)부분이 되며, 벌브형 리세스 게이트 영역(190)은 그 단면 모양이 게이트 방향을 따라 라인 형태로 이어진 모양으로 형성된다.Referring to FIG. 1E, a bulb-type rib including the first
도 1f를 참조하면, 벌브형 리세스 게이트 영역(190)을 포함하는 활성영역(120) 표면에 게이트 산화막(195)을 형성한다.Referring to FIG. 1F, a
다음에는, 벌브형 리세스 게이트 영역(190)을 매립하는 게이트 폴리실리콘층을 형성하고, 게이트 폴리실리콘층 상부에 금속층 및 게이트 하드마스크층 패턴을 형성하여 게이트를 형성한다.Next, a gate polysilicon layer filling the bulb type
상술한 바와 같이, 종래기술에 따른 반도체소자 및 그 형성방법은, 반도체소자가 초고집적화됨에 따른 채널 길이 감소로 반도체소자의 전기적 특성을 저하시키는 문제점이 유발된다. As described above, the semiconductor device according to the related art and the method of forming the same have a problem of lowering the electrical characteristics of the semiconductor device by reducing the channel length as the semiconductor device is highly integrated.
본 발명은 더블 벌브형 리세스를 형성하여 채널 길이가 증가된 벌브형 리세 스 게이트를 형성함으로써 공정 마진을 개선할 수 있고, 게이트의 채널 길이를 효율적으로 증가시킬 수 있도록 하는 반도체 소자 및 그 형성방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention provides a semiconductor device and a method of forming the double bulb type recess to form a bulb type recess gate having an increased channel length, thereby improving process margins and efficiently increasing the channel length of the gate. To provide that purpose.
본 발명에 따른 반도체 소자는, The semiconductor device according to the present invention,
반도체 기판에 활성영역을 정의한 소자분리막과,An isolation layer defining an active region on the semiconductor substrate;
상기 활성영역의 반도체기판에 형성한 제1 리세스 게이트 영역과,A first recess gate region formed in the semiconductor substrate of the active region;
상기 제1 리세스 게이트 영역 저부에 형성한 제2 리세스 게이트 영역과,A second recess gate region formed at a bottom of the first recess gate region;
상기 제1 리세스 게이트 영역의 측벽에 제3 리세스 게이트 영역을 형성하여 제1,2,3 리세스 게이트 영역으로 구성된 더블 벌브형 리세스 게이트 영역을 포함한것과,Forming a third recess gate region on a sidewall of the first recess gate region to include a double bulb type recess gate region including first, second and third recess gate regions;
상기 더블 벌브형 리세스 게이트 영역 상에 게이트 구조물을 포함한 것과,Including a gate structure on said double bulb type recess gate region,
상기 게이트 구조물은 게이트 절연막, 게이트 도전층 및 하드마스크층의 적층구조로 형성한 것을 특징으로 한다. The gate structure is formed in a stacked structure of a gate insulating film, a gate conductive layer and a hard mask layer.
또한, 본 발명에 따른 반도체소자의 형성방법은, In addition, the method of forming a semiconductor device according to the present invention,
반도체기판에 활성영역을 정의하는 소자분리막을 형성하는 공정과,Forming a device isolation film defining an active region on the semiconductor substrate;
상기 활성영역의 반도체기판을 식각하여 에 제1 리세스 게이트 영역을 형성하는 공정과,Etching the semiconductor substrate of the active region to form a first recess gate region;
상기 제1 리세스 게이트 영역의 저부를 식각하여 제2 리세스 게이트 영역을 형성함으로서 벌브형 리세스 게이트 영역을 형성하는 공정과,Forming a bulb type recess gate region by etching a bottom of the first recess gate region to form a second recess gate region;
상기 제1 리세스 게이트 영역 측벽에 제3 리세스 게이트 영역을 형성하는 공정을 포함하는 것과,Forming a third recess gate region on a sidewall of the first recess gate region;
상기 제1 리세스 게이트 영역 형성 공정은 반도체기판 상에 산화막층, 하드마스크층 및 반사방지막의 적층구조를 형성하는 공정과, 리세스 게이트 마스크를 이용한 사진식각공정으로 상기 적층구조를 패터닝하는 공정과, 상기 적층구조를 마스크로 하여 반도체기판을 식각하여 형성하는 공정을 포함하는 것과,The first recess gate region forming process may include forming a stacked structure of an oxide layer, a hard mask layer, and an antireflection film on a semiconductor substrate, and patterning the stacked structure by a photolithography process using a recess gate mask; And etching the semiconductor substrate using the stacked structure as a mask.
상기 제2 리세스 게이트 영역 형성 공정은 상기 제1 리세스 게이트 측벽에 측벽 베리어막을 형성하는 공정과, 상기 제1 리세스 게이트 저부를 등방성 식각하여 벌브를 형성하는 공정과, 상기 측벽 베리어막을 제거하는 공정을 포함하는 것과,The forming of the second recess gate region may include forming a sidewall barrier film on the sidewall of the first recess gate, forming an bulb by isotropically etching the bottom of the first recess gate, and removing the sidewall barrier film. Including a process,
상기 제3 리세스 게이트 영역 형성 공정은 상기 제1,2 리세스 게이트 영역을 매립하는 식각장벽층을 형성하는 공정과, 전체표면상부에 하드마스크층을 형성하는 공정과, 리세스 게이트 마스크를 이용한 사진식각공정으로 상기 하드마스크층을 패터닝하는 공정과, 상기 하드마스크층을 마스크로 하여 상기 식각장벽층을 식각하되, 상기 제1 리세스 게이트 영역 저부에 남도록 실시하는 공정과, 상기 하드마스크층 및 식각장벽층와의 식각선택비 차이를 이용하여 상기 제1 리세스 게이트 영역 측벽의 반도체기판을 식각함으로써 제3 리세스 게이트 영역을 형성하는 공정을 포함하는 것과,The third recess gate region forming process may include forming an etch barrier layer filling the first and second recess gate regions, forming a hard mask layer over the entire surface, and using a recess gate mask. Patterning the hard mask layer by a photolithography process, etching the etch barrier layer using the hard mask layer as a mask, but leaving the bottom of the first recess gate region, the hard mask layer and Forming a third recess gate region by etching the semiconductor substrate on the sidewalls of the first recess gate region using an etch selectivity difference from the etch barrier layer;
상기 식각장벽층은 감광막 또는 산화막으로 포함하는 것과,The etch barrier layer includes a photosensitive film or an oxide film,
상기 하드마스크층은 질화막을 포함하는 것과,The hard mask layer includes a nitride film,
상기 식각장벽층의 식각공정은 제1 리세스 게이트 영역의 저부로부터 100 - 300 Å 만큼 남기는 것과,The etching process of the etch barrier layer is to leave 100-300 Å from the bottom of the first recess gate region,
상기 제3 리세스 게이트 영역 형성 공정은 등방성 식각공정으로 실시하는 것과,The third recess gate region forming process may be performed by an isotropic etching process.
상기 제1,2,3 리세스 게이트 영역을 포함하는 반도체기판 표면에 게이트 절연막을 형성하는 공정과, 상기 제1,2,3 리세스 게이트 영역 상에 게이트 구조물을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다. Forming a gate insulating film on a surface of the semiconductor substrate including the first, second and third recess gate regions, and forming a gate structure on the first, second and third recess gate regions. It is done.
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 2i 는 본 발명에 따른 반도체 소자의 형성 방법을 도시한 단면도들이다. 2A to 2I are cross-sectional views illustrating a method of forming a semiconductor device in accordance with the present invention.
도 2a를 참조하면, 반도체 기판(300) 상에 활성영역(320)을 정의하는 소자분리막(310)을 형성한다. 이때, 소자분리막(310)은 STI(Shallow Trench Isolation) 공정을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다. 다음에는, 활성영역(320)에 채널 이온주입 공정을 수행한다.Referring to FIG. 2A, an
그 다음에는, 반도체 기판(300) 상부에 산화막층(330) 및 제1 하드마스크층(340)을 순차적으로 형성하고, 제1 하드마스크층(340) 상부에 반사방지막(345)을 형성한다. 그 다음에는, 반사방지막(345) 상부에 리세스 게이트 예정 영역을 정의하는 제1 감광막패턴(350)을 형성한다.Next, the
도 2b를 참조하면, 제1 감광막패턴(350)을 마스크로 반사방지막(345), 제1 하드마스크층(340), 산화막층(330) 및 반도체 기판(300)을 순차적으로 식각하여 제 1 리세스 게이트 영역(360)을 형성한다. 이때, 제 1 리세스 게이트 영역(360)은 400 ~ 5000 Å 깊이로 형성하는 것이 바람직하다. 다음에는, 제1 감광막 패턴(350), 반사방지막(345) 및 제1 하드마스크층(340)을 제거한다.Referring to FIG. 2B, the
도 2c를 참조하면, 제 1 리세스 게이트 영역(360)을 포함하는 반도체 기판(300) 전체 표면에 베리어막을 형성한다. 이때, 베리어막은 Al2O3막, HfO2막 및 이들의 복합 구조 중 선택된 어느 하나를 이용하여 300 ~ 400 ℃ 의 온도에서 ALD 방식으로 증착한다. 다음에는, 전면 식각 공정을 이용하여 산화막층(330) 및 제 1 리세스 게이트 영역(360) 하부의 베리어막을 제거하여, 측벽 베리어막(370)을 형성한다. 이때, 측벽 베리어막은 30 ~ 300Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 여기서, 측벽 베리어막(370)을 저온(300 ~ 400℃)에서 형성함으로써, 채널 임플란트 이온들이 활성영역(320) 내부로 확산되어 반도체 소자의 전기적 특성이 저하되는 문제를 해결할 수 있고, ALD 방식을 이용함으로써 측벽 베리어막(370)의 단차피복성(Step Coverage)을 향상시킬 수 있다.Referring to FIG. 2C, a barrier film is formed on the entire surface of the
도 2d를 참조하면, 제 1 리세스 게이트 영역(360) 하부의 노출된 반도체 기판(300), 즉 제1 리세스 게이트 영역(360)의 저부를 등방성 식각하여 구형의 제 2 리세스 게이트 영역(380)을 형성한다. 이때, 제 2 리세스 게이트 영역(380)은 400 ~ 5000 Å 의 깊이로 식각하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 2D, the bottom of the exposed
도 2e를 참조하면, 반도체 기판(300) 상부의 산화막층(330)을 제거하여, 제 1 리세스 게이트 영역(360) 및 제 2 리세스 게이트 영역(380)으로 구성되는 벌 브(Bulb)형 리세스 게이트 영역(390)을 형성한다. 이때, 산화막층(330) 제거 공정시 측벽 베리어막(370)이 제거된다. Referring to FIG. 2E, a bulb type including the first
여기서, 제 1 리세스 게이트 영역(360)은 벌브형 리세스 게이트의 목(Neck) 부분이 되고, 제 2 리세스 게이트 영역(380)은 벌브형 리세스 게이트의 몸통(Body)부분이 되며, 벌브형 리세스 게이트 영역(390)은 그 단면 모양이 게이트 방향을 따라 라인 형태로 이어진 모양으로 형성된다.Here, the first
도 2f를 참조하면, 벌브형 리세스 게이트 영역(390)을 매립하는 식각장벽층(400)을 형성한다. 이때, 식각장벽층(400)은 감광막이나 산화막으로 형성한다. Referring to FIG. 2F, an
전체표면상부에 평탄화된 제2 하드마스크층(410)을 형성한다. 이때, 제2 하드마스크층(410)은 질화막으로 형성한다. The planarized second
제2 하드마스크층(410) 상부에 제2 감광막패턴(420)을 형성한다. The second
도 2g를 참조하면, 제2 감광막패턴(420)을 마스크로 하여 식각장벽층(400)을 식각한다. 이때, 식각장벽층(400) 식각공정은 제2 리세스 게이트 영역(380), 즉 벌브형 리세스 게이트(39)의 목부분 상측으로 제1 리세스 게이트 영역(360)의 100 - 300 Å 의 두께만큼 식각장벽층(400)을 남기도록 이방성으로 실시한 것이다. Referring to FIG. 2G, the
도 2h를 참조하면, 제2 하드마스크층(410) 및 식각장벽층(400)과 식각선택비 차이를 이용하여 반도체기판의 활성영역(320)을 등방성식각함으로써 제3 리세스 게이트 영역(430)을 형성한다. Referring to FIG. 2H, the third
도 2i 를 참조하면, 제2 하드마스크층(41) 및 식각장벽층(400)을 제거하여 더블 벌브형의 리세스 게이트 영역(360,380,430)을 형성한다. Referring to FIG. 2I, the second hard mask layer 41 and the
더블 벌브형의 리세스 게이트 영역(360,380,430)의 표면에 게이트 절연막(440)을 형성한다. A
후속 공정으로, 더블 벌브형의 리세스 게이트 영역(360,380,430)을 포함한 반도체기판 상에 게이트 구조물을 형성하는 공정과 불순물을 이온주입하는 공정으로 채널 길이가 증가된 더블 벌브형 리세스 게이트를 형성한다. In a subsequent process, a double bulb type recess gate having a channel length is formed by forming a gate structure on a semiconductor substrate including the double bulb type
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 반도체소자 및 그 형성방법은, As described above, the semiconductor device and the method for forming the same according to the present invention,
초고집적 반도체소자 트랜지스터의 채널 길이를 증가시켜 반도체 소자의 숏 채널 효과 방지 및 리프레쉬 특성을 향상시켜 반도체소자의 전기적 특성을 향상시킬 수 있도록 하는 효과를 제공한다. The channel length of the ultra-high density semiconductor device transistor is increased to prevent short channel effects and refresh characteristics of the semiconductor device, thereby improving the electrical characteristics of the semiconductor device.
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.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, additions, and substitutions are possible, and that various modifications, additions and substitutions are possible, within the spirit and scope of the appended claims. As shown in Fig.
Claims (12)
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KR1020070080631A KR101024754B1 (en) | 2007-08-10 | 2007-08-10 | Semiconductor device and method for forming the same |
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