KR101046692B1 - Method of manufacturing vertical channel semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 필라(pillar) 붕괴를 방지하기 위한 수직 채널 반도체 소자의 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은 기판상에 기판을 오픈하는 개구부를 갖는 하드마스크막을 형성하는 단계와, 하드마스크막을 마스크로 기판을 식각하여 오프셋 영역을 한정하는 단계와, 하드마스크막 및 오프셋 영역의 측면에 스페이서를 형성하는 단계와, 하드마스크막 및 스페이서를 마스크로 기판을 식각하여 필라를 형성하는 단계와, 하드마스크막 및 스페이서를 마스크로 노출된 기판을 산화시키어 열산화막을 형성함으로써 오프셋 영역 하부의 필라에 오프셋 영역보다 좁은 폭을 갖는 필라 넥을 구성하는 단계와, 열산화막을 제거하는 단계를 포함하는 수직 채널 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.The present invention is to provide a method for manufacturing a vertical channel semiconductor device for preventing the pillar (pillar) collapse, the present invention for forming a hard mask film having an opening for opening the substrate on the substrate, and the hard mask Etching the substrate using a film as a mask to define an offset region, forming spacers on side surfaces of the hard mask film and the offset region, etching the substrate using the hard mask film and the spacer as a mask to form a pillar, Forming a pillar oxide having a width narrower than that of the offset region by oxidizing the substrate exposed by the hard mask layer and the spacer mask to form a thermal oxide layer, and removing the thermal oxide layer. A method of manufacturing a channel semiconductor device is provided.
수직 채널, 필라, 필라 넥, 열산화막 Vertical channel, pillar, pillar neck, thermal oxide
Description
본 발명은 반도체 기술에 관한 것으로, 특히, 수직 채널 반도체 소자의 제조방법에 관한 것이다. TECHNICAL FIELD The present invention relates to semiconductor technology, and more particularly, to a method of manufacturing a vertical channel semiconductor device.
반도체 소자의 집적도가 증가됨에 따라, 한정된 공간에 더 많은 수의 소자를 집적시키기 위하여 MOS 트랜지스터의 크기 즉, MOS 트랜지스터의 채널 길이가 감소되고 있다. 그런데, 이와 같이 MOS 트랜지스터의 채널 길이가 감소되면, 반도체 소자의 집적도는 증가되나, 드레인 유기 장벽 저하(Drain Induced Barrier Lowering, DIBL), 핫 캐리어 이펙트(hot carrier effect) 및 펀치 스루(punch through) 등과 같이 반도체 소자를 비정상적으로 구동시키는 단채널 효과(short channel effect)가 발생된다. 현재에는 단채널 효과를 방지하기 위하여, 접합 영역의 깊이를 감축시키는 방법 및 채널 영역에 그루브(groove)를 형성하여 상대적으로 채널 길이를 연장하는 방법 등 다양한 방법이 연구, 개발되고 있다.As the degree of integration of semiconductor devices increases, the size of the MOS transistors, that is, the channel lengths of the MOS transistors, are reduced in order to integrate a larger number of devices in a limited space. However, when the channel length of the MOS transistor is reduced in this way, the degree of integration of the semiconductor device is increased, but the drain induced barrier lowering (DIBL), the hot carrier effect and the punch through are used. Likewise, a short channel effect that abnormally drives the semiconductor device is generated. Currently, in order to prevent short channel effects, various methods, such as a method of reducing the depth of the junction region and a method of extending the channel length by forming a groove in the channel region, have been researched and developed.
그런데, DRAM(dynamic random access memory)과 같은 반도체 메모리 소자의 경우, 집적도가 기가 비트(giga bit) 대에 육박함에 따라 노광 한계치 이하의 채널 길이를 갖는 MOS 트랜지스터가 요구되고 있다. 이로 인하여, 사실상 소오스 및 드레인을 동일 평면상에 형성하는 플래너(planner) 타입의 MOS 트랜지스터를 기가 비트 대 메모리 소자에 적용하기 어렵게 되었다.By the way, in the case of a semiconductor memory device such as a dynamic random access memory (DRAM), an MOS transistor having a channel length below an exposure limit is required as the integration degree approaches a giga bit band. This makes it difficult to apply planar type MOS transistors that form source and drain on the same plane to virtual gigabit memory devices.
이에 따라, 소오스 및 드레인을 게이트 전극을 중심으로 상하에 배치시켜서 수직 채널을 유도하는 수직 채널 반도체 소자가 제안되었다.Accordingly, a vertical channel semiconductor device has been proposed in which a source and a drain are disposed above and below the gate electrode to induce a vertical channel.
도 1a 내지 도 1d는 종래 기술에 따른 수직 채널 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.1A to 1D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a vertical channel semiconductor device according to the prior art.
먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이, 기판(10)상에 패드 산화막(11)과 하드마스크막(12)을 순차적으로 형성하고, 기판(10)의 일부가 노출되도록 하드마스크막(12)과 패드 산화막(11)을 패터닝한 다음, 패터닝된 하드마스크막(12)을 마스크로 기판(10)을 비교적 얕은 깊이로 식각하여 오프셋 영역(15A)을 한정한다. 오프셋 영역(15A)은 소오스 또는 드레인이 형성될 부분으로, 100 내지 500Å 정도의 높이로 형성한다.First, as shown in FIG. 1A, the
이어, 오프셋 영역(15A)의 측면상에 보호막(13)을 형성한다.Next, the
이어서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 하드마스크막(12)을 마스크로 기판(10)을 800 내지 1000Å의 깊이로 식각하여 필라(15)를 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 1B, the
이어서, 도 1c에 도시된 바와 같이, 하드마스크막(12) 및 보호막(13)을 마스크로 기판(10)을 등방적으로 식각하여 오프셋 영역(15A) 직하부의 필라(15)에 함 입부(14)를 형성한다. 등방성 식각 공정으로는 건식 식각 공정을 사용한다. 여기서, 등방성 식각 공정으로 좁아지는 폭을 갖는 필라(15) 부분을 필라 넥(15B)이라 한다.Subsequently, as shown in FIG. 1C, the
이어서, 도 1d에 도시된 바와 같이, 함입부(14)상에 게이트 절연막(16)을 형성하고, 함입부(14) 내에 도전막을 충진시키어 필라 넥(15B)을 감싸는 게이트 전극(17)을 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 1D, the
그러나, 전술한 종래 기술은 필라(15)가 붕괴되는 문제점이 있다.However, the above-described prior art has a problem that the
보다 구체적으로, 필라 넥(15B) 형성시 등방성 식각 공정을 사용함에 따라, 필라 넥(15B)은 라운드한 측면 프로파일을 갖게 되는데, 필라 넥(15B) CD가 최소가 되는 부분이 취약 포인트가 되어 필라(15)가 붕괴되어 진다.More specifically, as the isotropic etching process is used when forming the
또한, 필라 넥(15B)를 형성하기 위한 등방성 식각 공정으로 건식 식각 공정이 사용되는데, 건식 식각 공정시 사용되는 플라즈마(plasma)에 의해 필라 넥(15B)이 직접적인 데미지(damage)를 받아, 필라(15)가 붕괴되어 진다.In addition, a dry etching process is used as an isotropic etching process for forming the
한편, 필라 넥(15B)을 형성하기 위한 등방성 식각 공정시 측면 식각의 정도를 조절하기가 매우 어렵고, 이에 따라 필라 넥(15B)의 두께를 웨이퍼 전체에 대해 균일하게 조절하기 극히 곤란하여 붕괴되는 필라(15)의 개수가 많은 실정이다.On the other hand, during the isotropic etching process for forming the
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 필라 붕괴를 방지할 수 있는 수직 채널 반도체 소자의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve the above problems of the prior art, and an object thereof is to provide a method of manufacturing a vertical channel semiconductor device capable of preventing pillar collapse.
상기한 목적을 달성하기 위한 일측면에 따른 본 발명은, 기판상에 상기 기판을 오픈하는 개구부를 갖는 하드마스크막을 형성하는 단계와, 상기 하드마스크막을 마스크로 상기 기판을 식각하여 오프셋 영역을 한정하는 단계와, 상기 하드마스크막 및 상기 오프셋 영역의 측면에 스페이서를 형성하는 단계와, 상기 하드마스크막 및 상기 스페이서를 마스크로 상기 기판을 식각하여 필라를 형성하는 단계와, 상기 하드마스크막 및 상기 스페이서를 마스크로 노출된 상기 기판을 산화시키어 열산화막을 형성함으로써 상기 오프셋 영역 하부의 상기 필라에 상기 오프셋 영역보다 좁은 폭을 갖는 필라 넥을 구성하는 단계와, 상기 열산화막을 제거하는 단계를 포함하는 수직 채널 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a hard mask layer having an opening for opening the substrate on a substrate, and etching the substrate using the hard mask layer as a mask to define an offset region. Forming a spacer on the side of the hard mask layer and the offset region, etching the substrate using the hard mask layer and the spacer as a mask to form a pillar, and forming the pillar and the spacer Forming a pillar neck having a narrower width than the offset region in the pillar below the offset region by oxidizing the substrate exposed with a mask to form a thermal oxide layer, and removing the thermal oxide layer. A method of manufacturing a channel semiconductor device is provided.
본 발명에 의하면, 필라 넥이 형성될 부위의 기판을 산화시키어 열산화막을 형성하고 열산화막을 제거하여 필라 넥을 형성하므로, 필라 넥의 측면 프로파일을 수직하게 형성할 수 있고, 식각 공정을 통해 필라 넥을 형성하는 경우에 비해 필라 넥에 가해지는 데미지를 줄일 수 있으며, 단일 웨이퍼상에 형성되는 필라 넥을 균일한 두께로 형성할 수 있다. 이에 따라, 필리 붕괴의 가능성 및 정도가 감소되므로 반도체 소자의 신뢰성 및 수율을 향상시킬 수 있다. According to the present invention, since the substrate of the region where the pillar neck is to be formed is oxidized to form a thermal oxide film and the thermal oxide film is removed to form a pillar neck, the side profile of the pillar neck can be vertically formed, and the pillar is etched through the etching process. Compared to the case of forming the neck, damage to the pillar neck can be reduced, and the pillar neck formed on a single wafer can be formed with a uniform thickness. As a result, the possibility and degree of peeling of the peel are reduced, so that the reliability and yield of the semiconductor device can be improved.
또한, 필라 붕괴의 가능성 및 정도를 줄일 수 있으므로 필라 붕괴로 인해 증가시키기 어려웠던 함입부의 측면 깊이를 극대화시킬 수 있다. 따라서, 함입부내에 충진되는 게이트 전극의 면적을 증가시킬 수 있으므로 반도체 소자의 특성을 향상시킬 수 있다. In addition, the possibility and extent of the pillar collapse can be reduced, thereby maximizing the lateral depth of the depression which was difficult to increase due to the pillar collapse. Therefore, since the area of the gate electrode filled in the recess can be increased, the characteristics of the semiconductor device can be improved.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이며, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판상에 직접 형성될 수 있거나, 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다. DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. In addition, in the drawings, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity, and in the case where the layers are said to be "on" another layer or substrate, they may be formed directly on another layer or substrate or Or a third layer may be interposed therebetween. In addition, the same reference numerals throughout the specification represent the same components.
실시예Example
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 실시예에 따른 수직 채널 반도체 소자의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.2A through 2F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a vertical channel semiconductor device according to an exemplary embodiment of the present invention.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 기판(20)상에 패드 산화막(21)과 하드마스크막(22)을 형성하고, 기판(20)의 일부가 노출되도록 사진 식각 공정으로 하드마스크막(22) 패드 산화막(21)을 패터닝한다.First, as shown in FIG. 2A, the
패드 산화막(21)은 열산화 방식으로 실리콘 산화막(SiO2)을 성장시키어 형성할 수 있다. 패드 산화막(21)은 50 내지 150Å 정도의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 하드마스크막(22)은 실리콘 질화막으로 형성할 수 있다. The
이어, 하드마스크막(22)을 마스크로 기판(20)을 제 1 깊이(H1)만큼 식각하여 오프셋 영역(26A)을 한정한다. 제 1 깊이(H1)는 100 내지 500Å 정도가 되게 함이 바람직하다.Subsequently, the
그 다음, 전면에 제 1 보호막(23)을 형성한다.Next, the first
제 1 보호막(23)은 산화막을 이용하여 형성할 수 있다. 제 1 보호막(23) 형성 방법으로는 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD) 공정, 플라즈마 증대 화학기상증착(Plasma Enhanced CVD, PECVD) 공정, 원자층증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 공정 또는 고밀도 플라즈마 화학기상증착(High Density CVD, HDCVD) 공정을 사용할 수 있다.The
이어서, 도 2b에 도시된 바와 같이, 제 1 보호막(23)을 전면 식각하여 하드마스크막(22)과 패드 산화막(21) 및 오프셋 영역(26A)의 측면에 제 1 스페이 서(23A)를 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 2B, the
그 다음, 하드마스크막(22) 및 제 1 스페이서(23A)를마스크로 기판(20)을 등방적으로 식각하여 제 1 스페이서(23A) 직하부의 기판(20)에 요홈(24)을 형성한다. 등방성 식각 공정으로는 건식 식각 공정 또는 습식 식각 공정을 사용할 수 있다.Next, the grooves 24 are formed in the
요홈(24)은 차후에 산화막과 식각 선택비를 갖는 물질로 이루어진 제 2 스페이서(25A)에 의해 충진되어, 후속 열산화막(27) 제거 공정(도 2f 참조)시 제 1 스페이서(23A)가 어택되는 현상을 방지하는 역할을 하는 것으로, 제 2 스페이서(25A)에 의해 요홈(24)이 완전히 충진될 수 있도록, 요홈(24) 형성시 기판(20)이 과도하게 식각되지 않게 식각 시간을 조절한다.The groove 24 is subsequently filled by the
이어서, 도 2c에 도시되 바와 같이 전면에 제 2 보호막(25)을 형성한다. Subsequently, as shown in FIG. 2C, a second passivation layer 25 is formed on the entire surface.
제 2 보호막(25)은 산화막 및 실리콘과 식각 선택비를 갖는 물질, 예를 들어 질화막을 이용하여 70 내지 100Å의 두께로 형성할 수 있다. 제 2 보호막(25) 형성 방법으로는 CVD 공정, PECVD 공정, ALD 공정 또는 HDCVD 공정을 사용할 수 있다.The second passivation layer 25 may be formed to a thickness of about 70 to about 100 μs using an oxide film and a material having an etching selectivity with silicon, for example, a nitride film. As the method of forming the second protective film 25, a CVD process, a PECVD process, an ALD process, or an HDCVD process may be used.
이때, 요홈(24)은 제 2 보호막(25)에 의해 충진되어 진다.In this case, the recess 24 is filled by the second passivation layer 25.
그 다음, 도 2d에 도시된 바와 같이, 제 2 보호막(25)을 전면 식각하여 제 1 스페이서(23A)의 측면 및 요홈(24) 내부에 제 2 스페이서(25A)를 형성한 다음, 하드마스크막(22) 및 제 2 스페이서(25A)를 마스크로 기판(20)을 제 2 깊이(H2), 예를 들어 800 내지 1500Å 정도 식각하여 필라(26)를 형성한다. Next, as shown in FIG. 2D, the second passivation layer 25 is etched entirely to form the
이어서, 도 2e에 도시된 바와 같이, 열산화(thermal oxidation) 공정으로 노출된 기판(20)을 산화시키어 열산화막(27)을 형성한다.Subsequently, as illustrated in FIG. 2E, the
이때, 산화되는 기판(20)의 두께는 15 내지 17nm 정도가 되도록 한다. 따라서, 기판(20) 표면 아래쪽으로 성장되는 열산화막(27)의 두께는 15 내지 17nm 정도가 된다. 그리고, 열산화막(27)은 기판(20) 표면 위로도 18 내지 20nm 정도 더 성장되어, 총 33 내지 37nm의 두께로 형성된다.At this time, the thickness of the
오프셋 영역(26A) 하부의 필라(26) 측면에도 열산화막(27)이 형성되며, 이에 따라 오프셋 영역(26A) 하부에는 오프셋 영역(26A) 비해 감소된 폭을 갖는 필라 넥(26B)이 형성된다.A
이때, 산화되는 기판(20) 두께는 그 위치에 관계없이 균일게 조절된다. 따라서, 필라 넥(26B)은 수직한 측면 프로파일을 갖게 되며, 단일 웨이퍼상에 형성되는 필라 넥(26B)은 균일한 두께를 갖게 된다.At this time, the thickness of the
이어서, 도 2f에 도시된 비와 같이, 열산화막(27)을 제거하여 필라 넥(26B) 측면에 함입부(28)를 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 2F, the
열산화막(27)은 습식 딥 아웃(wet dip out) 공정을 사용하여 제거할 수 있다. 식각 용액으로는 HF를 사용할 수 있다. 이때, 제 1 스페이서(23A)는 그 하부의 요홈(24)내에 충진된 제 2 스페이서(25A)에 의해 보호되므로, 식각 용액에 의한 제 1 스페이서(23A)의 손실은 발생하지 않는다.The
이후, 도시하지 않았지만 함입부(28)상에 게이트 절연막을 형성하고, 함입부(28) 내에 게이트 전극을 충진시키어 필라 넥(26B)을 감싸는 게이트 전극을 형성하고, 게이트 전극을 중심으로 필라(26)의 상, 하부에 소오스 및 드레인 영역을 형성한다. 이로써, 기판(20)의 주표면에 대하여 수직인 채널이 형성된다.Subsequently, although not shown, a gate insulating film is formed on the
발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 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 spirit of the present invention has been described in detail in the preferred embodiments, it should be noted that the above-described embodiments are 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.
예컨데, 전술한 실시예에서는 스페이서를 이중으로 형성하는 경우만을 나타내었다. 그러나, 스페이서를 제 2 스페이서(25A)의 단일 구조로로 형성할 수도 있다. 이 경우, 제 1 스페이서(23A)를 형성하는 단계와 요홈(24)을 형성하는 단계를 생략할 수 있다.For example, in the above-described embodiment, only the case where the spacer is doubled is illustrated. However, the spacer may be formed in a single structure of the
도 1a 내지 도 1d는 종래 기술에 따른 수직 채널 반도체 소자의 제조방법을 나타낸 단면도들.1A to 1D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a vertical channel semiconductor device according to the prior art.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 실시예에 따른 수직 채널 반도체 소자의 제조방법을 나타낸 단면도들.2A through 2F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a vertical channel semiconductor device according to an exemplary embodiment of the present invention.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉Description of the Related Art
20 : 기판 20: substrate
21 : 패드 산화막21: pad oxide film
22 : 하드마스크막22: hard mask
23A, 25A : 제 1, 제 2 스페이서23A, 25A: first and second spacer
24 : 요홈24: groove
26 : 필라26: pillar
26A : 오프셋 영역26A: Offset Area
26B : 필라 넥26B: Pillar Neck
27 : 열산화막27: thermal oxide film
28 : 함입부28: depression
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