KR101087776B1 - Semiconductor device and method for forming using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 기판 내에 구비되며, 상기 반도체 기판에 평탄화된 높이보다 낮은 높이를 갖도록 리세스된 전하 유동 금속층과 상기 전하 유동 금속층 측벽 및 하부를 감싸는 배리어 금속 및 상기 배리어 금속 측벽에 구비되며, 상기 반도체 기판 내에 매립된 배리어 절연막을 포함함으로써, 고집적화에 따라 기생전계효과를 감소시켜 문턱전압 저하문제를 해결함으로써 반도체 소자의 특성을 향상시키는 효과를 제공한다.The present invention is provided in a semiconductor substrate, and is provided on the barrier metal surrounding the charge flow metal layer and the sidewalls and the lower portion of the charge flow metal layer recessed to have a height lower than the flattened height on the semiconductor substrate, and the barrier metal sidewall. By including a barrier insulating film embedded in the substrate, the parasitic field effect is reduced due to high integration, thereby solving the problem of lowering the threshold voltage, thereby improving the characteristics of the semiconductor device.
리세스 게이트, 기생전계효과 방지 Recess gate prevents parasitic field effect
Description
본 발명은 반도체 소자 및 그의 형성 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 고집적화로 인해 유발되는 기생전계효과(Parasitic Field Effect)를 감소시킬 수 있는 반도체 소자 및 그의 형성 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device and a method for forming the same, and more particularly, to a semiconductor device and a method for forming the same that can reduce the parasitic field effect caused by high integration.
최근 개발되고 있는 반도체 소자의 디자인 룰(design rule)이 감소됨에 따라 그에 대응해서 채널 길이(channel length)도 감소되고 있는 실정이다. 이러한 추세는, 저장 단위가 되는 셀 트랜지스터 뿐만 아니라 주변 회로의 트랜지스터의 채널 길이도 감소시키고 있는 실정이다. 그 결과, 특정한 소자에서 요구하는 트랜지스터(Transistor)의 문턱전압(Vt) 타겟을 구현함에 있어서 기존의 평면(plannar) 트랜지스터 구조로는 그 한계에 부딪히고 있다. As the design rule of the semiconductor device, which has recently been developed, is reduced, the channel length is correspondingly reduced. This trend is reducing the channel length of transistors in peripheral circuits as well as cell transistors serving as storage units. As a result, in implementing the threshold voltage (Vt) target of the transistor (transistor) required by a particular device, the conventional planar transistor structure is facing its limitations.
이에, 상기와 같은 문제점을 극복하기 위한 방안으로, 3차원 구조의 게이트(Gate)를 갖는 트랜지스터, 즉, 반도체기판을 식각해서 리세스를 형성한 후, 리세스 상에 게이트가 형성되는 리세스 게이트 구조 또는 소자분리막을 리세스 시켜 활성영역을 핀 형태로 돌출시키고 그 상부에 게이트를 형성하는 핀 게이트 구조 등 의 트랜지스터에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이와 같은 3차원 구조의 게이트는, 식각된 기판 부분을 채널로 사용함으로서, 채널 길이를 확보할 수 있기 때문에 유효채널길이를 증가시킬 수 있는 장점을 가지고 있다.Accordingly, in order to overcome the above problems, a transistor having a gate having a three-dimensional structure, that is, a recess gate is formed by etching a semiconductor substrate, and then a gate is formed on the recess. Research on transistors, such as a fin gate structure, which protrudes an active region in the form of a fin by recessing a structure or an isolation layer and forms a gate thereon, has been actively conducted. Such a three-dimensional gate has the advantage of increasing the effective channel length because the channel length can be secured by using the etched substrate portion as a channel.
한편, 3차원 구조의 게이트를 형성하기 위하여 반도체 기판에 형성되는 리세스는 활성영역 뿐만아니라 소자분리막에도 형성된다. 그러나, 소자분리막에 형성된 리세스 상에 형성된 게이트(이하, 패싱 게이트)는 소자분리막과 인접한 활성영역에 형성된 리세스 상에 형성된 게이트에 영향을 미치게 된다. Meanwhile, a recess formed in the semiconductor substrate to form a three-dimensional gate is formed in the device isolation film as well as the active region. However, a gate (hereinafter, referred to as a passing gate) formed on the recess formed in the device isolation film affects the gate formed on the recess formed in the active region adjacent to the device isolation film.
구체적으로는, 리세스를 형성하기 위한 반도체 기판의 식각 공정 시, 패싱 게이트가 지나가는 소자분리막도 식각되므로, 패싱 게이트는 소자분리막이 식각된 리세스의 깊이 만큼 리세스와 가까워지게 되면서, 전자가 소스에서 채널로 진입하는데 있어서 장벽으로 작용하는 소스 접합 영역(source junction)과 채널(channel) 부근의 전위 차이로 인해 이웃 게이트 및 패싱 게이트에 바이어스(Bias)가 걸려 그 주위의 전위(electric potential)를 증가시키기 때문에 채널과 소스 접합 영역 사이의 전위(electric potential) 차이를 감소시켜 소스에서 채널로의 전자 유입이 용이하게 되어 셀 트랜지스터의 문턱전압(cell transistor threshold)이 감소하는 패싱 게이트 효과(Passing Gate Effect)를 유발하여 트랜지스터 특성을 저하시킨다.Specifically, during the etching process of the semiconductor substrate for forming the recess, the device isolation layer through which the passing gate passes is also etched, so that the passing gate is closer to the recess by the depth of the recess in which the device isolation layer is etched, so that electrons are removed from the source. Differential potentials near the source junction and channel act as barriers to entry into the channel, causing bias in neighboring and passing gates to increase the electrical potential around them. This reduces the difference in electrical potential between the channel and source junction regions, which facilitates the inflow of electrons from the source to the channel, thereby reducing the Passing Gate Effect, which reduces the cell transistor threshold. Causing deterioration of transistor characteristics.
뿐만 아니라, 반도체 소자의 고집적화로 인해 리세스 게이트와 이웃하는 리세스 게이트 사이 거리가 감소됨에 따라 수직 채널 전위(vertical channel potential)가 증가하여 셀 트랜지스터의 문턱전압이 감소하는 현상(인접 게이트 효 과(neighbor gate effect))이 나타나게 되어 반도체 소자의 특성을 저하시킨다. In addition, as the distance between the recess gate and the neighboring recess gate decreases due to high integration of the semiconductor device, the vertical channel potential increases, thereby reducing the threshold voltage of the cell transistor. neighbor gate effect) appears to deteriorate the characteristics of the semiconductor device.
특히, 핀 게이트의 소자분리막 상부에 핀 게이트 높이만큼 폴리가 더 채워지기 때문에 트리플 게이트 효과(tripple gate effect)가 유발되어 반도체 소자의 특성이 더욱 저하되는 한계가 있다. In particular, since the poly is further filled on the device isolation layer of the fin gate by the height of the fin gate, a triple gate effect is induced, and thus the characteristics of the semiconductor device may be further deteriorated.
본 발명은 반도체 소자가 점차 고집적화되면서 게이트와 이웃한 게이트 사이가 점차 가까워짐에따라 패싱 게이트 효과, 인접 게이트 효과 등과 같은 기생전계효과가 유발되는 문제를 해결하고자 한다. The present invention aims to solve the problem that parasitic field effects such as a passing gate effect and an adjacent gate effect are caused as the semiconductor device is gradually integrated and the gate and the neighboring gate become closer together.
본 발명은 반도체 기판 내에 구비되며 상기 반도체 기판에 평탄화된 높이보다 낮은 높이를 갖도록 리세스된 전하 유동 금속층과, 상기 전하 유동 금속층 측벽 및 하부를 감싸는 배리어 금속과, 및 상기 배리어 금속 측벽에 구비되며 상기 반도체 기판 내에 매립된 배리어 절연막을 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention includes a charge flow metal layer provided in a semiconductor substrate and recessed to have a height lower than the flattened height of the semiconductor substrate, a barrier metal surrounding sidewalls and lower portions of the charge flow metal layer, and provided on the barrier metal sidewall and And a barrier insulating film embedded in the semiconductor substrate.
이때, 상기 전하 유동 금속층 및 상기 배리어 절연막을 포함하는 전체 상부에 형성된 평탄화된 산화막을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In this case, the planarized oxide film may be further formed on the whole including the charge flow metal layer and the barrier insulating film.
그리고, 상기 산화막 및 상기 배리어 절연막에 형성된 리세스를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.And recesses formed in the oxide film and the barrier insulating film.
이때, 상기 리세스 상에 형성된 게이트 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In this case, the gate electrode may further include a gate electrode formed on the recess.
그리고, 상기 전하 유동 금속층 하부에 구비된 이온주입 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the method may further include an ion implantation region provided under the charge flow metal layer.
그리고, 상기 전하 유동 금속층은 텅스텐인 것을 특징으로 한다.And, the charge flow metal layer is characterized in that tungsten.
또한, 상기 배리어 금속은 TiN 인 것을 특징으로 한다.In addition, the barrier metal is characterized in that the TiN.
본 발명에 따른 반도체 소자의 형성 방법은 반도체 기판에 트렌치를 형성하는 단계와 상기 트렌치 측벽에 배리어 절연막을 형성하는 단계와 전체 상부에 배리어 금속을 형성하는 단계 및 상기 배리어 금속 상부에 상기 반도체 기판에 평탄화된 높이보다 낮은 높이를 갖도록 리세스된 전하 유동 금속층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method of forming a semiconductor device according to the present invention includes forming a trench in a semiconductor substrate, forming a barrier insulating film on the sidewalls of the trench, forming a barrier metal over the entirety of the barrier metal, and planarizing the semiconductor substrate over the barrier metal. And forming a recessed charge flow metal layer to have a height that is less than the height.
이때, 상기 전하 유동 금속층을 형성하는 단계 이후 전체 상부에 평탄화된 산화막을 형성하는 단계 및 상기 산화막 및 상기 반도체 기판에 리세스를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In this case, the method may further include forming a planarized oxide film on the entire upper portion after the forming of the charge flow metal layer and forming a recess in the oxide film and the semiconductor substrate.
그리고, 상기 리세스를 형성하는 단계는 상기 산화막 상에 하드마스크층을 형성하는 단계와 상기 하드마스크층 상에 상기 리세스를 정의하는 감광막 패턴을 형성하는 단계 및 상기 감광막 패턴을 식각마스크로 상기 산화막 및 상기 반도체 기판을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The forming of the recess may include forming a hard mask layer on the oxide layer, forming a photoresist pattern defining the recess on the hard mask layer, and using the photoresist pattern as an etch mask. And etching the semiconductor substrate.
그리고, 상기 리세스를 형성하는 단계 이후, 상기 리세스 상부에 게이트를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.After the forming of the recess, the method may further include forming a gate on the recess.
그리고, 상기 배리어 절연막을 형성하는 단계 이후, 상기 배리어 절연막 사이에 노출된 상기 반도체 기판 상에 이온주입 공정을 수행하여 이온주입 영역을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.After the forming of the barrier insulating film, the method may further include forming an ion implantation region by performing an ion implantation process on the semiconductor substrate exposed between the barrier insulating films.
또한, 상기 이온주입 공정은 P 이온을 주입하는 것을 특징으로 한다.In addition, the ion implantation process is characterized in that the implantation of P ions.
그리고, 상기 이온주입 영역을 형성하는 단계 이후, 전체 상부에 RTA(Rapid Thermal Annealing)을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.After the forming of the ion implantation region, the method may further include performing rapid thermal annealing (RTA) on the entire upper portion.
그리고, 상기 전하 유동 금속층은 CVD(chemical vapor deposition)으로 형성되는 것을 특징으로 한다.The charge flow metal layer is formed by chemical vapor deposition (CVD).
본 발명은 반도체 소자가 점차 고집적화되면서 유발되는 기생전계효과를 감소시켜 문턱전압이 낮아지는 문제를 해결하여 반도체 소자의 특성을 향상시키는 효과를 제공한다.The present invention solves the problem of lowering the threshold voltage by reducing the parasitic field effect caused by the high integration of the semiconductor device provides an effect of improving the characteristics of the semiconductor device.
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 1은 본 발명에 따른 반도체 소자의 평면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 반도체 소자의 단면도이며, 도 3a 내지 도 3k는 본 발명에 따른 반도체 소자의 형성 방법을 나타낸 단면도로서, (ⅰ)은 y-y1을 자른 단면도이고, (ⅱ)는 x-x1을 자른 단면도이다.1 is a plan view of a semiconductor device according to the present invention, Figure 2 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to the present invention, Figures 3a to 3k is a cross-sectional view showing a method of forming a semiconductor device according to the present invention, (i) It is sectional drawing which cut y-y1, (ii) is sectional drawing which cut x-x1.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 반도체 소자는 반도체 기판(100) 내에 구비된 반도체 기판(100)에 평탄화된 높이보다 낮은 높이를 갖도록 리세스된 전하 유동 금속층(122), 전하 유동 금속층(122) 측벽 및 하부를 감싸는 배리어 금속(120), 배리어 금속(120) 측벽에 구비되며, 반도체 기판(100) 내에 매립된 배리어 절연막(114), 전하 유동 금속층(122)을 포함하는 반도체 기판(100) 상에 형성된 산화막(124)을 포함한다. 그리고, 측벽에 배리어 금속(120)이 형성된 전하 유동 금속층(122)과 소정거리 이격되어 배리어 절연막(114) 및 반도체 기판(100)가 소정깊 이 식각된 리세스(130)를 더 포함한다. 이때, 리세스(130) 상에는 도시되지는 않았지만 게이트가 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 전하 유동 금속층(122) 하부에 구비된 이온주입 영역(118)을 더 포함하는 것이 바람직하다. 여기서 이온주입 영역(118)은 배리어 금속(120) 표면으로 전하들이 전자와 정공이 풍부한 반도체 기판으로 용이하게 전달되도록 한다. 이때, 전하 유동 금속층(122)은 텅스텐인 것이 바람직하고, 배리어 금속(120)은 TiN인 것이 바람직하다.As shown in FIG. 2, the semiconductor device of the present invention includes a charge
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 소자는 소자분리막에 형성되는 게이트 즉, 패싱게이트 사이에 전하 유동 금속층(122)이 구비되도록 하여 셀 트랜지스터의 문턱전압이 낮아지는 문제점을 개선할 수 있다. As described above, the semiconductor device according to the present invention can improve the problem that the threshold voltage of the cell transistor is lowered by providing the charge
도 3a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(100) 상에 패드 산화막(102) 및 패드 질화막(104)을 형성한다. 그 다음, 패드 질화막(104) 상에 소자분리막을 정의하는 감광막 패턴(미도시)을 형성하고, 이를 식각마스크로 패드 질화막(104), 패드 산화막(102) 및 반도체 기판(100)을 식각하여 트렌치(106)을 형성한다.As shown in FIG. 3A, a
도 3b에 도시된 바와 같이, 트렌치(106)를 포함하는 전체 상부에 갭 필(gap fill) 절연막을 형성한 후, 패드 질화막(104)이 노출되도록 상기 갭 필 절연막에 평탄화 식각 공정을 수행하여 소자분리막(108)을 형성한다. As shown in FIG. 3B, a gap fill insulating film is formed over the entire portion including the
도 3c에 도시된 바와 같이, 소자분리막(108)을 포함하는 전체 상부에 하드마스크층을 도포한 후, 하드마스크층 상에 후속 공정에서 패싱 게이트(소자분리막(108)에 형성될 리세스 상에 형성되는 게이트)가 형성될 영역 사이를 노출시키는 감광막 패턴(112)을 형성하고, 이를 식각마스크로 하드마스크층을 식각하여 하드마 스크 패턴(110)을 형성한다. As shown in FIG. 3C, after applying the hard mask layer over the entirety including the
도 3d에 도시된 바와 같이, 하드마스크 패턴(110)을 식각마스크로 반도체 기판(100)이 노출되도록 소자분리막(108)을 식각하여 활성영역의 측벽에 배리어 패턴(114)을 형성한다. 여기서, 반도체 기판(100)을 노출시키도록 소자분리막(108)을 식각하는 것은 후속 공정에서 배리어 절연막(114) 상부에 형성될 배리어 금속 표면을 흐르는 전하들이 전자와 정공이 풍부한 반도체 기판으로 용이하게 전달되도록 하기 위함이다. As shown in FIG. 3D, the
도 3e에 도시된 바와 같이, 배리어 절연막(114) 및 활성영역 상부에 하드마스크 패턴(116)을 형성한다. 하드마스크 패턴(116)을 마스크로 하여 전체 상부에 이온주입 공정(A)을 수행하여 이온주입 영역(118)을 형성한다. 이때, 이온주입 공정(A)에 주입되는 이온은 P인 것이 바람직하다. 이와 같이 이온주입 공정(A)을 수행하는 이유는 후속 공정에서 배리어 절연막(114) 상부에 형성될 배리어 금속이 반도체 기판과 접속될 때 배리어 금속과 반도체 기판의 콘택저항을 개선시키기 위함이다. 일반적으로 금속과 반도체 기판이 접촉하는 경우 금속의 일함수(work fuction)가 보통 반도체 기판의 밴드갭의 중간에 위치하게되어 쇼트키 콘택(schottkey contact)이 된다. 여기서, 이온주입은 쇼트키 콘택을 오믹 콘택(ohmic contact)으로 변경하여 전하들이 반도체 기판으로 용이하게 이동하도록 한다. 즉, 반도체 기판에 이온주입 공정으로 도핑되어 형성된 이온주입 영역(118)에 의해 공핍 영역(depletion width)이 좁아지게 되고, 포텐셜 배리어(potential barrier)의 폭이 얇아져서 캐리어가 퀀텀 터널링(quantum tunneling)에 의해 전하 들이 배리어를 뚫고 지나가게 할 수 있다. As shown in FIG. 3E, a
도 3f에 도시된 바와 같이, 하드마스크 패턴(116)을 제거한다. 그 다음, 전체 상부에 RTA(Rapid Thermal Annealing,B)를 진행한다. 여기서 RTA(B)는 상술한 공정에서 도핑된 이온들을 활성화 시키기 위함이다. As shown in FIG. 3F, the
도 3g에 도시된 바와 같이, 전체 상부에 배리어 금속(120)을 형성한다. 이때, 배리어 금속(120)은 TiN인 것이 바람직하다. 여기서, 배리어 금속(120)은 배리어 절연막(114)과 후속 공정에서 형성되는 전하 유동 금속층 계면의 스트레스를 줄여 전하 유동 금속층의 접착력을 용이하게 한다. As shown in FIG. 3G, the
도 3h에 도시된 바와 같이, 배리어 금속(120)을 포함하는 전체 상부에 전하 유동 금속층(122)을 형성한다. 이때, 전하 유동 금속층(122)은 CVD(chemical vapor deposition)으로 형성하는 것이 바람직하다. CVD는 PVD(physical vapor deposition)에 비해 스텝 커버리지(step coverage) 측면에서 우수하기 때문에 배리어 금속(120) 상부의 표면을 따라 용이하게 접착될 수 있다.As shown in FIG. 3H, the charge
도 3i에 도시된 바와 같이, 전하 유동 금속층(122)에 반도체 기판(100)이 노출되도록 에치백 공정을 수행하여 반도체 기판(100)과 평탄화 시키는 것이 바람직하다. 이후, 전하 유동 금속층(122)에 소정깊이의 리세스(123)를 형성한다. 그 이유는 전하 유동 금속층(122)이 형성되는 부분이 후속 공정에서 형성될 비트라인 콘택과 접속되는 랜딩플러그의 하부가 되기 때문에, 랜딩플러그를 형성하기 위해 반도체 기판을 노출시키는 랜딩플러그 홀 형성 공정 시 전하 유동 금속층(122)이 노출되어 랜딩플러그와 접속되지 않도록 하기 위함이다. As shown in FIG. 3I, it is preferable to planarize the
도 3j에 도시된 바와 같이, 리세스(123)를 포함하는 전체 상부에 산화막(124), 하드마스크층(126) 및 감광막 패턴(128)을 형성한다. 여기서, 감광막 패턴(128)은 소자분리막에 형성된 배리어 절연막(114) 및 반도체 기판(100)을 식각하여 리세스를 정의하게 된다. As illustrated in FIG. 3J, the
도 3k에 도시된 바와 같이, 감광막 패턴(128)을 식각마스크로 하드마스크층(126), 산화막(124) 및 배리어 절연막(114)을 식각하여 리세스(130)을 정의한다. 여기서, 도시되지는 않았지만, 배리어 절연막(114) 뿐만 아니라 반도체 기판(100)에도 리세스가 형성되는 것이 바람직하다. 이후, 감광막 패턴(128) 및 하드마스크층(126)을 제거한다. 그 다음, 도시되지는 않았지만 리세스(130) 상에 게이트를 형성하는 것이 바람직하다. 여기서, 종래에 인접 게이트들 사이에 기생전계효과는 전하 유동 금속층(122)에 의해 제거되어 셀 트랜지스터의 문턱전압이 낮아지게 된다.As shown in FIG. 3K, the
상술한 바와 같이, 본 발명은 전하 유동 금속층을 형성하여 종래에 소자분리막에 형성된 리세스 게이트로 인한 패싱 게이트 효과 및 고집적화로 인한 인접 게이트 효과로 유발되는 기생 전계 효과를 감소시켜 반도체 소자의 특성을 향상시킬 수 있다.As described above, the present invention improves the characteristics of the semiconductor device by forming a charge flow metal layer to reduce the parasitic field effect caused by the pass gate effect due to the recess gate formed in the device isolation layer and the adjacent gate effect due to the high integration. You can.
도 1은 본 발명에 따른 반도체 소자의 평면도.1 is a plan view of a semiconductor device according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 반도체 소자의 단면도.2 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to the present invention.
도 3a 내지 도 3k은 본 발명에 따른 반도체 소자의 형성 방법을 나타낸 단면도로서, (ⅰ)은 y-y1을 자른 단면도이고, (ⅱ)는 x-x1을 자른 단면도.3A to 3K are cross-sectional views illustrating a method of forming a semiconductor device according to the present invention, (i) is a cross-sectional view of y-y1, and (ii) is a cross-sectional view of x-x1.
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