KR101604054B1 - 반도체 소자 및 그 형성방법 - Google Patents

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Abstract

반도체 소자 및 그 형성방법을 제공한다. 이 반도체 소자의 형성방법은, 기판 상에 반도체 구조물 및 절연패턴을 형성하는 것, 절연패턴의 일 면에 의해 정의되는 측벽과 반도체 구조물의 바닥에 의해 정의되는 바닥을 갖는 오프닝을 형성하는 것, 오프닝을 채우는 제1 금속막을 형성하는 것, 제1 금속막을 습식 식각하여 오프닝의 측벽을 적어도 일부 노출시키는 것, 및 제1 금속막 상에 제2 금속막을 선택적으로 형성하는 것을 포함한다.
선택적 성장, 금속 게이트, 플러그

Description

반도체 소자 및 그 형성방법{SEMICONDUCTOR DEVICES AND METHODS OF FORMING THEREOF}
본 발명은 반도체 소자 및 그 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속패턴을 포함하는 반도체 소자 및 그 형성방법에 관한 것이다.
소비자의 전자 기기에 대한 다양한 요구에 따라, 전자 기기에 내장되는 반도체 소자 역시 다양화될 것이 요구되고 있다. 예를 들어, 반도체 소자의 고 집적화와 고 성능화에 대한 연구가 끊임없이 진행되고 있다.
반도체 소자의 고 집적화 및 고 성능화를 위해 동일한 면적 내에 보다 많은 데이터를 저장할 수 있는 기술이 필요할 수 있다. 이를 위해 소자 내의 구성요소들의 크기를 줄이면서 구성요소들의 고유의 특성을 유지하기 위한 다양한 시도가 행해지고 있으나, 반도체 소자의 형성 장비 등의 제약에 의한 한계에 부딪히고 있다.
본 발명의 실시예들이 이루고자하는 일 기술적 과제는 신뢰성이 향상된 반도체 소자의 형성방법과 그에 의해 형성되는 반도체 소자를 제공하는 것이다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 반도체 소자의 형성방법이 제공된다. 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자의 형성방법은, 반도체 구조물 및 절연패턴을 형성하는 것; 상기 절연패턴의 일 면에 의해 정의되는 측벽을 갖는 오프닝을 형성하는 것; 상기 오프닝을 채우는 제1 금속막을 형성하는 것; 상기 제1 금속막을 습식 식각하여 상기 오프닝의 측벽을 적어도 일부 노출시키는 것; 및 상기 식각된 제1 금속막 상에 제2 금속막을 선택적으로 형성하는 것을 포함한다. 상기 제1 금속막의 그레인의 크기는 상기 제2 금속막의 그레인의 크기보다 작을 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기판 상에 게이트 패턴들 및 게이트간 절연막들을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 반도체 구조물은 상기 게이트간 절연막들을 관통하는 홀 내에 형성되고, 상기 절연패턴은 상기 반도체 구조물과 게이트 패턴들 사이 및 상기 절연막들의 상부면들 및 하부면들 상에 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 게이트간 절연막들, 상기 반도체 구조물 및 상기 절연 패턴을 형성하는 것은, 상기 기판 상에 게이트간 절연막들 및 희생막들을 교대로 적층하는 것; 상기 게이트간 절연막들 및 희생막들을 관통하는 상기 홀을 형성하는 것; 상기 희생막들을 제거하는 것; 및 상기 희생막들이 제거된 공간 및 상기 홀을 콘포말하게 덮는 상기 절연 패턴을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 절연패턴과 상기 제1 금속막 사이에 베리어층을 형성하는 것을 더 포함하되, 상기 베리어층은 상기 습식 식각시 상기 제1 금속막과 함께 식각될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 절연 패턴은 이온결합에 의해 결합되는 화합물을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 금속막 및 제2 금속막은 동일한 금속을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 금속막의 형성 속도는 상기 제2 금속막의 형성 속도보다 빠를 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 금속막을 형성하는 것 및 상기 제2 금속막을 형성하는 것은, 상기 오프닝 내에 제1 금속 소오스 및 제1 환원 가스를 제공하는 것과 제2 금속 소오스 및 제2 환원 가스를 제공하는 것을 각각 포함하되, 상기 제1 금속 소오스 및 제2 금속 소오스는 동일한 금속 원소를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 금속 소오스 및 제2 금속 소오스는 WF6 일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 환원가스 및 제2 환원 가스는 수소 원자, 수소 라디칼 및/또는 수소 이온을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 환원가스는 실란(SiH4) 또는 디보란(B2H6)이고, 상기 제2 환원가스는 수소 가스일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 절연 패턴 및 상기 오프닝을 형성하는 것은, 상기 반도체 구조물 상에 절연막을 형성하는 것 및 상기 반도체 구조물의 상부면을 노출시킬 때 까지 상기 절연막을 이방성 식각하는 것을 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 반도체 구조물은 상기 오프닝의 바닥을 통해 노출되는 도전 영역을 더 포함하되, 상기 제1 금속막은 상기 도전 영역과 전기적으로 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 반도체 소자의 형성방법은 상기 제2 금속막과 접하는 가변저항 패턴을 형성하는 것; 및 상기 가변저항 패턴 상에 제3 금속막을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 반도체 소자가 제공된다. 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자는, 기판, 상기 기판 상에 교대로 적층된 게이트간 절연막들 및 게이트 패턴들, 상기 게이트간 절연막 및 상기 게이트 패턴들의 측벽을 따라 상기 기판으로부터 위로 연장되는 반도체 구조물, 및 상기 게이트 패턴들 및 상기 반도체 구조물 사이의 절연 패턴을 포함할 수 있다. 상기 게이트 패턴들은 상기 반도체 구조물과 인접한 제1 금속패턴과 상기 제1 금속패턴에 접하되 상기 제1 금속패턴에 의하여 상기 반도체 구조물과 이격되는 제2 금속패턴을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 금속패턴의 그레인의 크기는 상기 제2 금속패턴의 그레인의 크기보다 작을 수 있다.
일 실시예에서, 상기 절연 패턴은 상기 게이트 패턴들의 상부면들 및 하부면들 상으로 연장될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 금속패턴은 상기 반도체 구조물과 인접한 상기 게이트 패턴들의 제1 측벽에 대향하는 제2 측벽 상으로 연장되되, 상기 제2 금속패턴 은 상기 게이트 패턴들의 상기 제2 측벽 상의 상기 절연패턴들보다 돌출될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 금속패턴과 상기 절연패턴 사이에 베리어층을 더 포함하되, 상기 베리어층의 일 면은 상기 제1 금속패턴의 일 면과 공면을 이룰 수 있다.
일 실시예에서, 상기 절연패턴은 ONOA(Oxide-Nitride-Oxide-Aluminium Oxide)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 오프닝을 채우는 제1 금속막이 형성되고 상기 제1 금속막을 습식 식각한다. 상기 습식 식각된 제1 금속막으로부터 제2 금속패턴을 선택적으로 성장시킨다. 상기 습식 식각에 의해 제1 금속막이 식각되는 경우, 식각 불순물이 상기 오프닝의 측벽 및 절연패턴 등에 부착되어 상기 식각 불순물로부터 제2 금속패턴이 성장되는 것이 방지될 수 있다. 따라서, 상기 오프닝 내에 선택적으로 제2 금속패턴들이 형성될 수 있다. 또한, 상기 제2 금속패턴은 선택적으로 성장되어 인접한 다른 제2 금속패턴과 독립적으로 형성되므로, 서로 인접한 두 제2 금속패턴들은 완전히 절연될 수 있다. 이에 따라, 신뢰성이 향상된 반도체 소자가 형성될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본원의 실시예들에 따른 반도체 소자 및 그 형성방법이 설명된다. 설명되는 실시예들은 본 발명의 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 한정되지 않는다. 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 다른 형태로 변형될 수 있다. 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다. 본 명세서에서 일 구성요소가 다른 구성요소 '상에' 위치한다는 것은 일 구성요소 상에 다른 구성요소가 직접 위치한다는 의미는 물론, 상기 일 구성요소 상에 제3 의 구성요소가 더 위치할 수 있다는 의미도 포함한다. 본 명세서 각 구성요소 또는 부분 등을 제1, 제2 등의 표현을 사용하여 지칭하였으나, 이는 명확한 설명을 위해 사용된 표현으로 이에 의해 한정되지 않는다. 도면에 표현된 구성요소들의 두께 및 상대적인 두께는 본 발명의 실시예들을 명확하게 표현하기 위해 과장된 것일 수 있다.
도 1, 도 2a 내지 도 2f, 그리고 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 형성방법이 설명된다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 평면도이고, 도 2a 내지 도 2f, 및 도 3은 도 1에 도시된 Ⅰ-Ⅱ을 따라 취한 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 공정 단면도이다.
도 1 및 도 2a를 참조하면, 반도체 기판(이하, '기판', 100)이 준비된다. 상기 기판(100)은 도펀트들로 도핑된 웰 영역을 포함할 수 있다. 상기 기판(100) 상에 기저 절연막(121)이 형성된다.
상기 기저 절연막(121) 상에 희생막들(SC) 및 게이트간 절연막들(123)이 교대로 적층된다. 상기 게이트간 절연막들(123)은 상기 기저 절연막(121)과 동일한 물질로 형성될 수 있다. 상기 게이트간 절연막들(123)과 상기 희생막들(SC)은 동일한 식각 용액에 대해 서로 다른 식각 선택비를 갖는 물질들을 각각 포함할 수 있다. 예를 들어 상기 게이트간 절연막들(123)이 산화물을 포함하는 경우, 상기 희생막들(SC)은 질화물을 포함할 수 있다. 최상부의 상기 희생막(SC) 상에 상부 절연막(125)이 형성될 수 있다. 상기 상부 절연막(125)은 상기 게이트간 절연막들(123)과 동일한 절연물질을 포함할 수 있다.
상기 절연막들(121, 123, 125) 및 희생막들(SC)을 이방성 식각하여, 상기 절연막들(121, 123, 125) 및 희생막들(SC)을 관통하는 홀(130)을 형성한다. 상기 홀(130)은 상기 막들을 관통하되, 상기 기판(100) 평면으로부터 수직하게 형성될 수 있다. 이와 달리, 상기 홀(130)을 대신하여 상기 절연막들(121, 123, 125) 및 희생막들(SC)을 관통하되, 상기 기판(100)의 제1 방향을 따라 연장되는 그루브가 형성될 수도 있다.
상기 홀(130) 내에 반도체 구조물(133)이 형성될 수 있다. 상기 반도체 구조물(133)은 반도체 원소, 예를 들어 주기율표상의 4A족 원소들을 포함할 수 있다. 상기 반도체 구조물(133)은 단결정 또는 다결정 상태의 반도체 원소를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 상기 반도체 구조물(133)은 형성되는 트랜지스터의 채널 영역이 형성되는 활성 패턴일 수 있다.
상기 반도체 구조물(133)은 상기 홀(130)을 채우는 필라 형태(pillar type) 일 수 있다. 이와 달리, 상기 반도체 구조물(133)은 내부 공간을 포함하는 쉘(shell)형태일 수 있다. 이 경우, 상기 내부 공간은 절연막에 의해 채워질 수 있다. 상기 홀(130) 대신 그루브가 형성된 경우, 상기 그루브를 채우는 반도체 막이 형성되고 상기 반도체막의 형성 직후 또는 이후의 공정에 의해 패터닝되어 상기 필라 형태의 반도체 구조물(133)이 형성될 수도 있다.
상기 반도체 구조물(133)의 윗 부분에 불순물 영역(135)이 형성될 수 있다. 상기 불순물 영역(135)은 상기 반도체 구조물(133)의 상부 내에 도펀트를 주입하여 형성될 수 있다. 이와 달리, 상기 불순물 영역(135)은 인 시츄(in-situ) 공정을 수행하여 형성될 수 있다.
도 2b를 참조하면, 상기 절연막들(121, 123, 125) 및 희생막들(SC)을 패터닝하여, 상기 절연막들(121, 123, 125) 및 희생막들(SC)을 관통하는 그루브(140)를 형성한다. 상기 그루브(140)는 상기 기판(100) 평면의 제1 방향으로 연장될 수 있다. 상기 그루브(140)에 의해 상기 기판(100)의 상부면 및 패터닝된 상기 절연막들(121, 123, 125) 및 희생막들(SC)의 측벽들이 노출될 수 있다.
상기 그루브(140) 및 상기 홀(130)은 기울어진 측벽을 가질 수 있다. 이는 상기 그루브(140) 및 상기 홀(130)을 형성하기 위한 이방성 식각 공정에서 식각되는 막의 총 두께가 두꺼운 것에 기인할 수 있다. 이와 달리, 상기 절연막들(121, 123, 125) 및 희생막들(SC)의 총 두께를 적절히 조절하는 경우, 상기 그루브(14) 및 상기 홀(130)의 측벽들은 상기 기판(100)의 상부면에 대해 실질적으로 수직할 수 있다.
도 2c를 참조하면, 상기 희생막들(SC)이 제거된다. 상기 희생막들(SC)이 질화물을 포함하는 경우, 상기 희생막들(SC)은 인산(H3PO4) 용액을 식각 용액으로 사용하는 습식 식각 공정에 의해 제거될 수 있다. 상기 희생막들(SC)의 제거에 의해 상기 절연막들(121, 123, 125) 사이에 오프닝들(150)이 형성될 수 있다. 상기 오프닝들(150)에 의해 상기 반도체 구조물(133)의 측벽의 일부가 노출될 수 있다. 또한, 상기 오프닝들(150)에 의해 상기 기저절연막(121)의 상부면, 상기 게이트간 절연막들(123) 및 상기 상부 절연막(125)의 상부면들 및 하부면들이 노출될 수 있다.
상기 그루브(140) 및 상기 오프닝들(150) 내에 절연패턴(142)이 형성된다. 상기 절연패턴(142)은 상기 그루브(140) 및 상기 오프닝들(150)의 벽들을 콘포말하게 덮을 수 있다. 상기 절연패턴(142)은 상기 오프닝들(150)에 의해 노출된 상기 반도체 구조물(133)의 측벽 상에 형성될 수 있다. 상기 절연패턴(142)은 상기 게이트간 절연막들(123) 및 상부 절연막(125)의 상부면들 및 하부면들과 상기 기저 절연막(121)의 상부면을 덮을 수 있다. 상기 절연패턴(142)은 상기 절연막들(121, 123, 125)의 측벽들 상에도 형성될 수 있다. 상기 절연막들(121, 123, 125)의 상부면 및 하부면들 상의 상기 절연패턴(142)은 상기 오프닝들(150)의 측벽을 정의할 수 있다.
상기 절연패턴(142)은 복수의 절연막들로 구성될 수 있다. 상기 절연패턴(142)은 전하저장층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 절연패턴(142)은 ONO(Oxide-Nitride-Oxide)막 또는 ONOA(Oxide-Nitride-Oxide-AluminiumOxide)막을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 질화막(Nitride)은 상기 전하저장층으로 작용할 수 있다.
상기 절연패턴(142) 상에 베리어층(144)이 형성될 수 있다. 상기 베리어층(144)은 상기 그루브(140) 및 상기 오프닝들(150)의 바닥들 및 측벽들 상에 콘포말하게 형성될 수 있다. 상기 베리어층(144)은 100Å이하로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 베리어층(144)은 50Å이하로 형성될 수 있다. 상기 베리어층(144)은 금속 질화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 베리어층(144)은 텅스텐질화물(WN) 또는 티타늄질화물(TiN)을 포함할 수 있다.
도 2d를 참조하면, 상기 오프닝들(150) 및 상기 개구부(140) 내에 제1 금속막(153)이 형성될 수 있다. 상기 제1 금속막(153)은 상기 개구부(140)의 일부를 채울 수 있다.
상기 제1 금속막(153)을 형성하는 것은, 상기 오프닝들(150) 및 상기 개구부(140) 내에 제1 금속 소오스 및 제1 환원 가스를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 상기 제1 금속 소오스는 제1 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속 소오스는 전이금속을 포함하는 화합물일 수 있다. 상기 제1 환원 가스는 상기 제1 금속 소오스에 포함된 상기 금속을 환원시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 환원 가스는 수소가스, 수소 라디칼 또는 수소 이온을 공급할 수 있는 화학종일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 금속 소오스는 WF6이고, 상기 제1 환원 가스는 실란(SiH4) 또는 디보란(B2H6)일 수 있다. 상기 제1 금속 소오스 및 상기 제1 환원 가 스를 도 2c의 결과물을 포함하는 기판(100) 이 로딩된 반응 챔버 내에 제공시, 하기 화학식 1에 해당하는 반응이 일어날 수 있다.
2WF6 + 3SiH4 -> 2W + 3SiF4 + 6H2 (화학식 1)
상기 화학식 1에서 육플루오르화텅스텐(WF6)은 제1 금속 소오스에 해당하고, 실란(SiH4)은 상기 제1 환원 가스에 해당한다. 상기 제1 금속 소오스와 상기 제1 환원가스의 반응은 상대적으로 빠른 반응일 수 있다. 이에 따라, 상기 오프닝들(150) 및 상기 개구부(140) 내에 제1 금속막(153)이 빠른 속도로 증착될 수 있다. 빠른 속도로 증착되는 상기 제1 금속막(153)의 그레인의 크기는 상대적으로 작을 수 있다.
도 2e를 참조하면, 상기 제1 금속막(153)의 일부가 식각되어 상기 오프닝들(150) 내에 제1 금속패턴들(154)이 형성된다. 상기 제1 금속막(153)은 습식 식각될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속막(153)은 H2O2, H3PO4, HNO3, CH3COOH, HF, HCl, H2SO4, EKC, SF6, Cl2 및 NF3 중 적어도 하나를 포함하는 식각 용액에 의해 식각될 수 있다. 상기 제1 금속막(153)이 식각됨으로써, 하나의 오프닝 내에 하나의 제1 금속패턴이 형성될 수 있다. 즉, 상기 습식 식각에 의해 상기 제1 금속막(153)의 노드 분리(node isolation)가 일어날 수 있다.
상기 제1 금속막(153)은 습식 식각에 의해 식각되므로, 상기 제1 금속막(153)의 식각 공정에서 발생할 수 있는 식각 부산물이 상기 절연패턴(142)의 표면을 오염시키는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 제1 금속막(153)은 비교적 작은 그레인 크기를 가지므로 상기 습식 식각에 의한 에칭 손상(etching damage)이 최소화될 수 있다. 상기 습식 식각 이후 세정 공정이 추가로 수행될 수 있다. 상기 습식 식각 공정 및/또는 상기 세정 공정에 의해 상기 절연패턴(142) 상의 댕글링 본딩 등이 제거될 수 있다.
상기 제1 금속막(153)의 식각시, 상기 베리어층(144)이 함께 식각되어 베리어 패턴(145)이 형성될 수 있다. 상기 베리어 패턴(145)의 식각에 의해 상기 오프닝들(150)의 측벽을 정의하는 상기 절연패턴(142)의 일부가 노출될 수 있다. 상기 베리어 패턴(145)의 식각된 면은 상기 제1 금속패턴(154)의 식각된 면과 공면을 이룰 수 있다.
상기 제1 금속패턴(154) 및 상기 베리어 패턴(145)의 식각된 면들은 상기 게이트간 절연막들(123)의 측벽들과 접하는 상기 절연패턴(142)의 일 면보다 상기 오프닝들(150)의 안쪽에 위치할 수 있다.
도 2f를 참조하면, 상기 제1 금속패턴(154)의 식각된 면으로부터 제2 금속패턴(156)이 형성된다. 상기 제2 금속패턴(156)은 상기 제1 금속패턴(154)의 식각된 면으로부터 선택적으로 형성될 수 있다. 하나의 오프닝 내에 형성된 상기 제1 금속패턴(154)과 상기 제2 금속패턴(156)은 하나의 게이트 패턴(LSG, CG, USG)을 구성할 수 있다. 상기 기판(100)에 가장 인접한 게이트 패턴(LSG)은 하부 선택 게이트 패턴이고, 게이트 패턴들(LSG, CG, USG) 중 최상부의 게이트 패턴(USG)은 상부 선택 게이트 패턴일 수 있다. 상기 하부 선택 게이트 패턴(LSG)과 상기 상부 선택 게이트 패턴(USG) 사이의 게이트 패턴들은 메모리 셀 게이트 패턴들(CG)일 수 있다.
상기 제2 금속패턴(156)을 상기 제1 금속패턴(154)의 식각된 면 상에 선택적으로 형성하는 것은, 제2 금속 소오스를 제공하는 것 및 상기 반응 챔버 내에 제2 환원 가스를 제공하는 것을 포함할 수 있다.
상기 제2 금속 소오스는 제2 금속을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제2 금속 소오스는 상기 제1 금속 소오스와 동일한 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 금속 소오스가 육플루오르화텅스텐(WF6)이고 상기 제2 환원 가스가 수소(H2)가스인 경우, 상기 반응 챔버 내에서 일어나는 반응은 다음의 화학식과 같을 수 있다.
2WF6 + 3H2 -> W + 6HF (화학식 2)
상기 화학식 2에 대응하는 화학반응은 상기 제1 금속패턴(154)의 식각된 면 상에서 일어날 수 있다. 상기 제2 금속 소오스 및 제2 환원 가스는 상기 제1 금속패턴(154)의 식각된 면 상에 흡착될 수 있다. 상기 제2 환원 가스는 원자 상태로 분해되고 분해된 원자 상태의 제2 환원 가스가 상기 흡착된 제2 금속 소오스와 반응하여, 상기 제1 금속패턴(154)의 식각된 면 상에 상기 제2 금속이 증착될 수 있 다.
상기 제2 금속패턴(156)의 형성을 위한 반응은 상대적으로 느린 반응일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 금속패턴(156)의 형성을 위한 반응은 상기 제1 금속막(153)의 형성을 위한 반응보다 느린 속도로 진행될 수 있다. 상기 제2 금속패턴(156)은 상기 제2 금속패턴(154)보다 큰 그레인 크기를 가질 수 있다.
상기 제2 금속패턴(156)의 형성 공정은 저온 및 저압 조건 하에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 금속패턴(156)의 형성시 상기 반응 챔버 내의 온도는 500℃이하이고, 상기 반응 챔버 내의 압력은 50Torr이하일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제2 금속패턴(156)시 반응 챔버 내의 온도는 350℃이고, 상기 반응 챔버 내의 압력은 40Torr이하일 수 있다.
금속 원자의 증착의 개시를 위해, 금속 소오스가 증착 대상막에 제공되고 상기 금속 소오스가 상기 증착 대상막으로부터 전자를 받아들인다(accept). 상기 금속 소오스가 전자를 받아들이는 것에 의해, 상기 금속 소오스의 금속에 붙어있던 다른 원자들의 적어도 일부가 상기 금속 소오스로부터 분리될 수 있다. 예를 들어, WF6가 금속 소오스로 사용되는 경우, 상기 증착 대상막에서 제공된 전자에 의해 상기 WF6는 WFn와 F6-n(n은 6이하의 정수)으로 분리될 수 있다. 분리된 플루오르 원자(F)는 상기 식각대상막을 구성하는 일 원자와 상기 제공된 전자를 공유함으로써 결합될 수 있다. 상기 결합된 일 원자와 플루오르 원자는 기체 상태로 상기 증착 대상막으로부터 제거됨으로써, 상기 증착 대상막 상에 상기 금속이 증착되게 된다.
상술한 금속 원자의 증착 과정에서 상기 금속 원자가 상기 증착 대상막에 증착되는 일 요인은, 상기 증착 대상막으로부터의 상기 금속 소오스로의 전자의 제공일 수 있다. 따라서, 상기 증착 대상막이 쉽게 전자를 제공할수록 상기 금속 원자의 증착은 원활하게 진행될 수 있다. 상기 증착 대상막이 전자를 제공하는 정도는 상기 증착 대상막을 구성하는 화합물의 결합의 종류에 의해 영향을 받을 수 있다. 증착 대상막을 구성하는 화합물들은 금속결합, 공유결합 또는 이온결합을 포함하는 결합들에 의해 결합될 수 있다. 상기 화합물들은 복수의 결합 요인들에 의해 결합될 수 있으나 상기 복수의 결합들 중 어느 하나가 우세할 수 있다. 예를 들어, 금속 원자들 사이의 결합에서는 다른 결합들보다 금속결합이 우세하고, 비금속원자들 사이의 결합에서는 다른 결합들보다 공유결합이 우세할 수 있다. 본 명세서의 상세한 설명 및 특허청구범위에서는, 설명의 편의상 원자들 사이의 결합 중 가장 우세한 결합에 의해 상기 원자들이 결합된 것으로 설명된다. 상기 증착 대상막을 구성하고 있는 화합물이 이온 결합에 의해 결합된 화합물인 경우 상기 증착 대상막은 상대적으로 상기 금속 소오스에 적은 양의 전자를 제공할 수 있다. 특히, 상기 증착 대상막을 구성하고 있는 화합물이 강한 이온 결합을 하고 있는 경우, 상기 증착 대상막은 상기 금속 소오스에 전자를 쉽게 제공하지 않을 수 있다. 이와 달리, 상기 증착 대상막을 구성하고 있는 화합물이 금속 결합에 의해 결합된 화합물인 경우 상기 증착 대상막은 상대적으로 상기 금속 소오스에 많은 양의 전자를 제공할 수 있다. 따라서, 상기 증착 대상막에 금속 소오스를 제공함으로써 금속층을 형성하는 경우 상기 증착막을 구성하는 결합의 종류에 의해 금속층의 형성이 제어될 수 있 다.
따라서, 상기 제2 금속패턴의 형성을 위한 금속 원자의 증착은 선택적으로 이루어질 수 있다. 상기 절연패턴(142)을 구성하는 화합물은 강한 이온결합에 의해 결합된 화합물일 수 있다. 예를 들어, 상기 오프닝들(150)에 의해 노출되는 상기 절연패턴(142)의 표면은 산화물을 포함할 수 있다. 강한 이온결합을 포함하는 상기 화합물은 상기 제2 금속 소오스에 전자를 덜 제공할 수 있다. 따라서, 상기 제2 금속 소오스 및 상기 제2 환원 가스가 상기 절연패턴(142) 상에 쉽게 흡착되지 않을 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 금속막(156)의 증착을 위한 반응은, 상기 제2 금속 소오스 및 상기 제2 환원 가스의 흡착을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 제2 금속 소오스 및 상기 제2 환원 가스가 상기 절연패턴(142) 상에 쉽게 흡착되지 않으므로, 상기 절연패턴(142) 상에 상기 제2 금속패턴(156)이 쉽게 형성되지 않을 수 있다.
이에 반해, 상기 제1 금속패턴(154)은 금속 결합에 의해 구성된 화합물들을 포함하므로 상기 제1 금속패턴(154)은 상기 제2 금속 소오스에 상대적으로 많은 전자들을 제공할 수 있다. 따라서, 상기 제1 금속패턴(154) 상에 상기 제1 금속 소오스 및 상기 제1 환원 가스가 흡착될 수 있다. 이에 의해 상기 제1 금속패턴(154) 상에 제2 금속들이 용이하게 증착될 수 있다. 상기 금속들의 증착되는 정도의 차이에 의해, 상기 제1 금속패턴(154) 상에 선택적으로 제2 금속패턴(156)이 형성될 수 있다.
상기 제2 금속패턴(156)은 선택성장하므로, 인접한 오프닝들(150) 내의 제2 금속패턴(156)을 분리하기 위한 노드 분리 공정은 생략될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 금속패턴(156)의 노드 분리 공정에 의해 발생할 수 있는 상기 제2 금속패턴(156)의 결함이 더욱 감소된다. 구체적으로, 상기 제2 금속패턴(156)은 상기 제1 금속패턴(154)에 비해 상대적으로 큰 그레인 크기를 갖는다. 이에 따라, 상기 제2 금속패턴(156)의 노드 분리 공정시 상기 제2 금속패턴(156)의 상당 부분이 뜯겨질 수 있다. 이는 상기 제2 금속패턴(156)의 저항 특성에 악영향을 미친다. 그러나, 본 발명의 실시예들에 따르면 상기 노드 분리 공정이 생략될 수 있어 상기 노드 분리 공정시 발생할 수 있는 상기 제2 금속패턴(156)의 결함이 최소화된다. 또한, 인접한 오프닝들(150) 내에서 서로 전기적으로 분리된 상태로 상기 제2 금속패턴(156)이 형성되므로 인접한 게이트 패턴들이 보다 완전히 절연될 수 있다.
상기 제2 금속패턴(156)은 도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 게이트간 절연막들(123)의 측벽들 상의 상기 절연패턴(142)의 측벽까지 성장될 수 있다. 이와 달리, 상기 제2 금속패턴(156)은 도 4b에 도시된 바와 같이 상기 게이트간 절연막들(123)의 측벽들 상의 상기 절연패턴(142)의 측벽보다 돌출될 수 있다. 즉, 상기 제2 금속패턴(156)은 과성장(overgrowth)될 수 있다. 이에 의해 상기 제2 금속패턴(156)을 포함하는 게이트 패턴의 저항이 감소될 수 있다. 상기 제2 금속패턴(156)의 성장 정도를 제어하여 형성되는 상기 게이트 패턴의 저항이 조절될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 제1 금속패턴(154) 및 제2 금속패턴(156)의 형성방법은 패턴 형성과정에서 발생할 수 있는 물리적 결함들, 예를 들어, 보이드 및 심을 감소시킬 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 제1 금속패턴(154)은 습식 식각에 의해 식각되므로, 상기 제1 금속패턴(154)의 식각 부산물, 예를 들어, 제1 금속 소오스에 포함된 금속 원자들이 상기 절연패턴(142)을 오염시키는 것이 최소화된다. 이에 따라, 상기 절연패턴(142) 상에 상기 식각 부산물이 부착되고 상기 부착된 식각 부산물로부터 제2 금속패턴(154)이 성장되는 것이 방지될 수 있다. 상기 식각 부산물을 핵으로 성장하는 제2 금속은 상기 제1 금속패턴(154)으로부터 성장되는 제2 금속과 다른 방향으로부터 성장되므로 이에 의해 형성되는 제2 금속패턴(154)은 상기 물리적 결함을 갖게 된다. 또한, 상기 식각 부산물은 상기 절연패턴(142) 상에 불규칙적으로 형성되므로, 상기 식각 부산물로부터 성장되는 상기 제2 금속패턴(154)을 제어하는 것이 어려울 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들에 따라, 상기 제1 금속패턴(154)으로부터 선택적으로 제2 금속패턴(156)이 형성되는 경우, 상기 물리적 결함이 최소화된 제2 금속패턴(156)이 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 금속패턴(156)을 포함하는 반도체 소자의 신뢰성이 향상될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 개구부(140)를 채우는 충진 절연막(158)이 형성된다. 상기 충진 절연막(158)에 의해, 일 반도체 구조물(133)을 공유하며 적층된 제1 및 제2 금속패턴들(154, 156)과 인접한 다른 반도체 구조물(133)을 공유하며 적층된 제1 및 제2 금속패턴들(154, 156)이 분리된다. 상기 충진 절연막(158)의 상부면은 평탄화될 수 있다. 상기 평탄화시, 상기 상부 절연막(125) 및 상기 반도체 구조물(133) 상의 상기 절연패턴(142)이 함께 제거될 수 있다. 상기 평탄화는 상부 절연막(125)의 상부면 및 상기 반도체 구조물(133) 내의 상기 불순물 영역(135)의 상부면이 노출될 때까지 수행될 수 있다.
상기 반도체 구조물(133) 및 상기 상부 절연막(125) 상에 층간 절연막(161)이 형성된다. 상기 층간 절연막(161)을 관통하는 비트라인 콘택홀을 형성한다. 상기 비트라인 콘택홀은 상기 불순물 영역(135)의 상부면을 노출시킬 수 있다. 상기 비트라인 콘택홀을 채우는 비트라인 콘택(163)이 형성된다. 상기 비트라인 콘택(163)은 금속, 도핑된 반도체 또는 금속 화합물을 포함할 수 있다. 상기 층간 절연막(161) 및 상기 비트라인 콘택(163) 상에 비트라인(165)이 형성된다. 상기 비트라인(165)은 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 연장될 수 있다. 상기 비트라인 콘택(163) 및 상기 비트라인(165)은 동시에 또는 별도로 형성될 수 있다.
도 1, 도 3, 도 4a 및 도 4b를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자가 설명된다. 앞서 도 1, 도 2a 내지 도 2f, 도 3, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명된 내용은 생략될 수 있다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 기판(100) 상에 반도체 구조물(133)이 배치된다. 상기 반도체 구조물(133)은 상기 기판(100)으로부터 위로 연장되는 기둥형태일 수 있다. 상기 반도체 구조물(133)은 단결정 또는 다결정 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상기 반도체 구조물(133)의 최상부 내에 불순물 영역(135)이 제공될 수 있다. 상기 불순물 영역(135)은 상기 반도체 구조물(133)의 다른 부분보다 높은 도펀트 농도를 갖는 부분일 수 있다.
상기 반도체 구조물(133)의 측벽을 따라 절연막들(121, 123, 125)이 적층될 수 있다. 상기 절연막들(121, 123, 125)은 상기 기판(100)에 가장 인접한 기저 절연막(121), 상기 기저 절연막(121) 상의 복수의 게이트간 절연막들(123), 그리고 최상부 게이트간 절연막(123) 상의 상부 절연막(125)을 포함할 수 있다. 상기 절연막들(121, 123, 125)은 서로 이격되어 상기 반도체 구조물(133)의 측벽 상에 배치될 수 있다.
상기 반도체 구조물(133)의 측벽 및 상기 절연막들(121, 123, 125)을 덮는 절연패턴(142)이 제공된다. 상기 절연패턴(142)은 상기 절연막들(121, 123, 125) 사이의 상기 반도체 구조물(133)의 측벽, 상기 절연막들(121, 123, 125)의 상부면들, 하부면들 및 측벽들을 덮을 수 있다. 상기 절연패턴(142)은 복수의 층들을 포함할 수 있다. 상기 절연패턴(142)은 산화막, 질화막 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 절연패턴(142)은 ONO막 또는 ONOA막일 수 있다.
인접한 상기 절연막들(121, 123, 125) 사이에 오프닝들(150)이 정의될 수 있다. 상기 오프닝들(150)은 상기 인접한 절연막들(121, 123, 125) 사이의 상기 절연패턴(142)에 의해 한정된 공간일 수 있다. 상기 오프닝들(150)은 상기 반도체 구조물(133)의 측벽 상의 상기 절연패턴(142)에 의해 정의되는 바닥들과 상기 절연막들(121, 123, 125)의 상부면들과 하부면들에 상의 상기 절연패턴(142)에 정의되는 측벽들을 포함한다.
상기 오프닝들(150)은 게이트 패턴으로 채워질 수 있다. 상기 게이트 패턴은 상기 오프닝들(150)의 바닥에 인접한 제1 금속패턴(154)과 상기 제1 금속패턴(154)의 측벽 상의 제2 금속패턴(156)을 포함할 수 있다.
도 4a를 참조하면, 상기 제2 금속패턴(156)의 일 측벽은 상기 반도체 구조물(133)과 인접하지 않는 상기 절연막들(121, 123, 125)의 측벽들 상의 상기 절연패턴(142)의 측벽과 공면을 이룰 수 있다. 이와 달리, 상기 제2 금속패턴(156)의 일 측벽은, 도 4b에 도시된 바와 같이 상기 절연막들(121, 123, 125)의 측벽들 상의 상기 절연패턴(142)의 측벽보다 옆으로 돌출될 수 있다. 이와 달리, 상기 제2 금속패턴(156)의 일 측벽은 상기 오프닝들(150) 내에 배치될 수도 있다. 예를 들어, 상기 제2 금속패턴(156)은 상기 절연막들(121, 123, 125)의 측벽들보다 함몰될 수 있다. 상기 제2 금속패턴(156)의 형태는 적용되는 소자에 따라 적절히 선택될 수 있다.
상기 제1 금속패턴(154)과 상기 제2 금속패턴(156)은 동일한 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속패턴(154) 및 상기 제2 금속패턴(156)은 텅스텐을 포함할 수 있다. 상기 제1 금속패턴(154)의 그레인의 크기와 상기 제2 금속패턴(156)의 그레인의 크기는 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속패턴(154)의 그레인의 크기는 상기 제2 금속 패턴(156)의 그레인의 크기보다 작을 수 있다. 이에 의해, 상기 제1 금속패턴(154)의 비저항은 상기 제2 금속패턴(156)의 비저항보다 클 수 있다.
상기 제1 금속패턴(154)의 상부면 및 하부면 상에 베리어패턴(145)이 제공될 수 있다. 상기 베리어패턴(145)은 상기 제1 금속패턴(154)과 상기 반도체 구조물(133) 사이로 연장될 수 있다. 상기 베리어패턴(145)은 질화티타늄(TiN) 및 질화텅스텐(WN)을 포함하는 금속화합물 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 기판(100) 상에 상기 반도체 구조물(133), 상기 게이트 패턴들, 상기 절연막들(121, 123, 125) 및 상기 절연패턴들로 구성된 일 적층구조 및, 상기 일 적층구조와 실질적으로 동일한 다른 적층구조가 배치될 수 있다. 상기 적층구조들 사이는 충진 절연막(158)이 배치될 수 있다. 상기 충진 절연막(158)은 상기 절연막들(121, 123, 125)의 측벽들 상의 상기 절연패턴(142)과 상기 제2 금속패턴(156)의 일 측벽과 접할 수 있다.
상기 충진 절연막(158), 상기 상부 절연막(125) 및 상기 반도체 구조물(133) 상에 비트라인(165)이 제공된다. 상기 비트라인(165)은 상기 반도체 구조물(133)과 비트라인 콘택(163)에 의해 연결될 수 있다. 상기 비트라인(165)과 상기 상부 절연막(125) 및 상기 충진 절연막(158) 사이에는 층간 절연막(161)이 더 배치될 수 있다.
도 5a 내지 도 5c를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 소자의 형성방법이 설명된다.
도 5a를 참조하면, 반도체 구조물(200)이 준비된다. 상기 반도체 구조물(200)은 반도체 기판일 수 있다. 상기 반도체 구조물(200)은 도전 영역 및/또는 절연 영역을 포함할 수 있다. 상기 반도체 구조물(200) 상에 오프닝(250)을 정의하는 절연패턴(242)이 형성된다. 상기 절연패턴(242)은 이온 결합에 의해 결합되는 원자들을 포함할 수 있다. 상기 절연패턴(242)은 예를 들어, 산화물을 포함할 수 있다. 상기 오프닝(250)은 상기 반도체 구조물(200)의 상부면을 노출시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 오프닝(250)은 상기 반도체 구조물(200)의 도전 영역의 상부면을 노출시킬 수 있다. 상기 오프닝(250)은 상기 반도체 구조물(200)의 상부면에 의해 정의되는 바닥과 상기 절연패턴(242)의 측벽에 의해 정의되는 측벽을 포함할 수 있다.
상기 오프닝(250) 내에 베리어층(244)이 형성될 수 있다. 상기 베리어층(244)은 상기 노출된 반도체 구조물(200)의 상부면(상기 오프닝(250)의 바닥), 상기 오프닝(250)의 측벽 및 상기 절연패턴(242)의 상부면 상에 콘포말하게 형성될 수 있다. 상기 베리어층(244)은 금속화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 베리어층(244)은 티타늄질화물 또는 텅스텐질화물을 포함할 수 있다.
상기 오프닝(250)을 채우는 제1 금속막(253)이 형성될 수 있다. 상기 제1 금속막(253)을 형성하는 것은, 제1 금속 소오스를 제공하는 것 및 상기 반응 챔버 내에 제1 환원 가스를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 상기 제1 금속 소오스는 제1 금속을 포함할 수 있다. 상기 환원 가스는 수소 원자, 수소 라디칼 또는 수소 이온을 포함할 수 있다. 상기 제1 금속 소오스와 상기 제1 환원 가스는 비교적 빠른 반응을 하는 물질들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속 소오스는 육플루오르화텅스텐(WF6)이고, 상기 제1 환원 가스는 실란(SiH4) 또는 디보란(B2H6)일 수 있다. 이후, 상기 제1 금속 소오스가 육플루오르화텅스텐이 제1 금속 소오스로 사용되고, 실란(silane)이 제1 환원 가스로 사용되는 실시예가 설명된다. 상기 제1 금속 소오스와 상기 제1 환원 가스 사이의 반응은 하기의 (화학식 1)과 같은 반응식 으로 표현될 수 있다.
2WF6 + 3SiH4 -> 2W + 3SiF4 + 6H2 (화학식 1)
상기 화학식에서 육플루오르화텅스텐(WF6)은 제1 금속 소오스에 해당하고, 실란(SiH4)은 상기 제1 환원 가스에 해당한다. 상기 제1 금속 소오스와 상기 제1 환원가스의 반응은 상대적으로 빠른 반응일 수 있다. 이에 따라, 제1 금속막(253)이 빠른 속도로 증착될 수 있다. 이와 같이 빠른 속도로 증착되는 상기 제1 금속막(253)의 그레인의 크기는 상대적으로 작을 수 있다.
도 5b를 참조하면, 상기 제1 금속막(253) 및 상기 베리어층(244)이 습식 식각될 수 있다. 상기 제1 금속막(253) 및 상기 베리어층(244)은 H2O2, H3PO4, HNO3, CH3COOH, HF, HCl, H2SO4, EKC, SF6, Cl2 및 NF3 중 적어도 하나를 포함하는 식각 용액에 의해 식각될 수 있다. 상기 습식 식각에 의해 제1 금속패턴(254) 및 베리어패턴(245)이 형성될 수 있다. 상기 제1 금속패턴(254) 및 상기 베리어패턴(245)은 상기 절연패턴(242)의 상부면보다 낮은 상부면을 가질 수 있다. 상기 습식 식각에 의해 상기 오프닝(250)의 측벽의 일부가 노출될 수 있다. 즉, 상기 절연패턴(242)의 측벽의 일부가 노출될 수 있다.
도 5c를 참조하면, 상기 제1 금속패턴(254) 상에 제2 금속패턴(256)이 선택 적으로 형성된다. 상기 제2 금속패턴(256)은 상기 제1 금속패턴(254) 상에서 이방성 성장할 수 있다.
상기 제2 금속패턴(256)을 상기 제1 금속패턴(254)의 식각된 면 상에 선택적으로 형성하는 것은, 상기 반응 챔버 내에 제2 금속 소오스를 제공하는 것 및 상기 반응 챔버 내에 제2 환원 가스를 제공하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 금속 소오스는 상기 제1 금속 소오스와 동일한 금속을 포함할 수 있다. 상기 제2 금속 소오스가 육플루오르화텅스텐(WF6)이고 상기 제2 환원 가스가 수소(H2)가스인 경우, 상기 반응 챔버 내에서 일어나는 반응은 다음의 화학식과 같을 수 있다.
2WF6 + 3H2 -> W + 6HF (화학식 2)
상기 화학식 2에 대응하는 화학반응은 상기 제1 금속패턴(254)의 식각된 면 상에서 일어날 수 있다. 상기 제2 금속 소오스 및 제2 환원 가스는 상기 제1 금속패턴(254)의 식각된 면 상에 흡착될 수 있다. 상기 제2 환원 가스는 원자 상태로 분해되고 분해된 원자 상태의 제2 환원 가스가 상기 제2 금속 소오스와 반응하여, 상기 제1 금속패턴(254)의 식각된 면 상에 상기 제2 금속이 증착될 수 있다.
상기 제2 금속패턴(256)의 형성을 위한 반응은 상대적으로 느린 반응일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 금속패턴(256)의 형성을 위한 반응은 상기 제1 금속 막(252)의 형성을 위한 반응보다 느린 속도로 진행될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 금속 소오스와 상기 제2 환원 가스의 반응속도를 늦추기 위해 상기 제2 금속 소오스는 상기 환원 가스보다 많은 양이 제공될 수 있다. 상기 제2 금속패턴(256)의 형성 공정은 저온 및 저압 조건 하에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 금속패턴(256)의 형성시 상기 반응 챔버 내의 온도는 500℃이하이고, 상기 반응 챔버 내의 압력은 50Torr이하일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제2 금속패턴(256)시 반응 챔버 내의 온도는 350℃이고, 상기 반응 챔버 내의 압력은 40Torr이하일 수 있다.
도 5c를 재차 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 소자가 설명된다. 앞서, 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 설명된 내용은 일부 생략될 수 있다.
반도체 구조물(200) 상에 절연패턴(242)이 배치된다. 상기 반도체 구조물(200)은 도전 영역 및 절연 영역을 포함하는 반도체 기판일 수 있다. 상기 절연패턴(242)은 상기 반도체 구조물(200)의 도전 영역의 적어도 일부를 노출시키는 오프닝(250)을 정의할 수 있다.
상기 개구부(250) 내에 제1 금속패턴(254) 및 제2 금속패턴(256)이 배치될 수 있다. 상기 제1 금속패턴(254)은 상기 반도체 구조물(200)에 인접한 상기 오프닝들(150)의 하부에 배치되고, 상기 제2 금속패턴(256)은 상기 제1 금속패턴(254) 상의 상기 오프닝들(150)의 상부에 배치될 수 있다.
상기 제1 금속패턴(254) 및 상기 제2 금속패턴(256)은 동일한 금속 원소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속패턴(254) 및 상기 제2 금속패턴(256)은 텅스텐을 포함할 수 있다. 상기 제1 금속패턴(254)과 상기 제2 금속패턴(256)은 서로 상이한 그레인 크기들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속패턴(254)의 그레인의 크기는 상기 제2 금속패턴(256)의 그레인의 크기보다 작을 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 금속패턴(254)의 비저항은 상기 제2 금속패턴(256) 보다 클 수 있다.
상기 제1 금속패턴(254)과 상기 절연패턴(242) 사이에 베리어패턴(245)이 개재될 수 있다. 상기 베리어패턴(245)의 상부면은 상기 제1 금속패턴(254)의 상부면과 공면을 이룰 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예들에 의한 반도체 소자의 적용예들이 설명된다.
도 6을 참조하면, 도 5c의 제2 금속패턴(256) 상에 가변저항층(263)이 배치된다. 상기 가변저항층(263)은 상변화 물질, 전이금속 산화물 또는 복수의 자성층들을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 금속패턴(254) 및 제2 금속패턴(256)은 콘택 플러그로 작용할 수 있다.
상기 가변저항층(263)의 상부 및 하부에는 상부 전극과 하부 전극이 각각 배치될 수 있다. 상기 하부 전극은 상기 가변저항층(263)과 상기 제2 금속패턴(256) 사이에 개재될 수 있다. 상기 하부 전극은 상기 가변저항층(263)의 특성에 따라 생략될 수 있다.
도 7을 참조하면, 도 5c의 제1 금속패턴(254), 제2 금속패턴(256) 및 베리어패턴(245)은 트랜지스터를 구성하는 게이트(212) 및 불순물 영역(203)의 상부와 전기적으로 접속할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 금속패턴(254) 및 제2 금속패턴(256)은 콘택 플러그로 작용할 수 있다. 상기 베리어 패턴(245)과 상기 불순물 영역(203) 사이 및/또는 상기 베리어 패턴(245)과 상기 게이트(212) 사이에는 오믹층(216)이 더 개재될 수 있다.
도 8를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전자 시스템(1100)은 컨트롤러(1110), 입출력 장치(1120, I/O), 기억 장치(1130, memory device), 인터페이스(1140) 및 버스(1150, bus)를 포함할 수 있다. 상기 컨트롤러(1110), 입출력 장치(1120), 기억 장치(1130) 및/또는 인터페이스(1140)는 상기 버스(1150)를 통하여 서로 결합 될 수 있다. 상기 버스(1150)는 데이터들이 이동되는 통로(path)에 해당한다.
상기 컨트롤러(1110)는 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세스, 마이크로컨트롤러, 및 이들과 유사한 기능을 수행할 수 있는 논리 소자들 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 입출력 장치(1120)는 키패드(keypad), 키보드 및 디스플레이 장치등을 포함할 수 있다. 상기 기억 장치(1130)는 데이터 및/또는 명령어등을 저장할 수 있다. 상기 기억 장치(1130)는 상술된 제1 및 제2 실시예들에 개시된 반도체 기억 소자들 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 기억 장치(1130)는 다른 형태의 반도체 기억 소자(ex, 플래쉬 기억 소자, 디램 소자 및/또는 에스램 소자등)를 더 포함할 수 있다. 상기 인터페이스(1140)는 통신 네트워크 로 데이터를 전송하거나 통신 네트워크로부터 데이터를 수신하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 인터페이스(1140)는 유선 또는 무선 형태일 수 있다. 예컨대, 상기 인터페이스(1140)는 안테나 또는 유무선 트랜시버등을 포함할 수 있다. 도시하지 않았지만, 상기 전자 시스템(1100)은 상기 컨트롤러(1110)의 동작을 향상시키기 위한 동작 메모리로서, 고속의 디램 및/또는 에스램등을 더 포함할 수도 있다.
상기 전자 시스템(1100)은 개인 휴대용 정보 단말기(PDA, personal digital assistant) 포터블 컴퓨터(portable computer), 웹 타블렛(web tablet), 무선 전화기(wireless phone), 모바일 폰(mobile phone), 디지털 뮤직 플레이어(digital music player), 메모리 카드(memory card), 또는 정보를 무선환경에서 송신 및/또는 수신할 수 있는 모든 전자 제품에 적용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 기억 소자를 포함하는 메모리 카드를 나타내는 블록도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 카드(1200)는 기억 장치(1210)를 포함한다. 상기 기억 장치(1210)는 상술된 제1 및 제2 실시예들에 개시된 반도체 기억 소자들 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 기억 장치(1210)는 다른 형태의 반도체 기억 소자(ex, 플래쉬 기억 소자, 디램 소자 및/또는 에스램 소자등)를 더 포함할 수 있다. 상기 메모리 카드(1200)는 호스트(Host)와 상기 기억 장치(1210) 간의 데이터 교환을 제어하는 메모리 컨트롤러(1220)를 포함할 수 있다.
상기 메모리 컨트롤러(1220)는 메모리 카드의 전반적인 동작을 제어하는 플 로세싱 유닛(1222)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 메모리 컨트롤러(1220)는 상기 프로세싱 유닛(1222)의 동작 메모리로써 사용되는 에스램(1221, SRAM)을 포함할 수 있다. 이에 더하여, 상기 메모리 컨트롤러(1220)는 호스트 인터페이스(1223), 메모리 인터페이스(1225)를 더 포함할 수 있다. 상기 호스트 인터페이스(1223)는 메모리 카드(1200)와 호스트(Host)간의 데이터 교환 프로토콜을 구비할 수 있다. 상기 메모리 인터페이스(1225)는 상기 메모리 컨트롤러(1220)와 상기 기억 장치(1210)를 접속시킬 수 있다. 더 나아가서, 상기 메모리 컨트롤러(1220)는 에러 정정 블록(1224, Ecc)를 더 포함할 수 있다. 상기 에러 정정 블록(1224)은 상기 기억 장치(1210)로부터 독출된 데이터의 에러를 검출 및 정정할 수 있다. 도시하지 않았지만, 상기 메모리 카드(1200)는 호스트(Host)와의 인터페이싱을 위한 코드 데이터를 저장하는 롬 장치(ROM device)를 더 포함할 수도 있다. 상기 메모리 카드(1200)는 휴대용 데이터 저장 카드로 사용될 수 있다. 이와는 달리, 상기 메모리 카드(1200)는 컴퓨터시스템의 하드디스크를 대체할 수 있는 고상 디스트(SSD, Solid State Disk)로도 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 평면도이고,
도 2a 내지 도 2f는 도 1에 도시된 Ⅰ-Ⅱ을 따라 취한 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 형성 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이고,
도 3은 본 발명의 도 1에 도시된 Ⅰ-Ⅱ을 따라 취한 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 단면도이고,
도 4a 및 도 4b는 도 3에 도시된 A영역을 확대한 도면들이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 소자의 공정 단면도들이고,
도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 소자의 적용예들을 보여주는 도면들이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예들이 적용되는 예를 설명하기 위한 도면들이다.

Claims (10)

  1. 반도체 구조물 및 절연패턴을 형성하는 것;
    상기 절연패턴의 일 면에 의해 정의되는 측벽을 갖는 오프닝을 형성하는 것;
    상기 오프닝을 채우는 제1 금속막을 형성하는 것;
    상기 제1 금속막을 습식 식각하여 상기 오프닝의 측벽을 적어도 일부 노출시키는 것;
    상기 식각된 제1 금속막 상에 제2 금속막을 선택적으로 성장시켜 형성하는 것을 포함하되, 상기 제1 금속막의 그레인의 크기는 상기 제2 금속막의 그레인의 크기보다 작으며,
    상기 제1 금속막의 형성 속도는 상기 제2 금속막의 형성 속도보다 빠르고,
    상기 제1 금속막을 형성하는 것 및 상기 제2 금속막을 형성하는 것은, 상기 오프닝에 제1 금속 소오스 및 제1 환원 가스를 제공하는 것, 및 제2 금속 소오스 및 제2 환원 가스를 제공하는 것을 각각 포함하는 반도체 소자의 형성방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판 상에 게이트 패턴들 및 게이트간 절연막들을 형성하는 것을 더 포함하되,
    상기 반도체 구조물은 상기 게이트간 절연막들을 관통하는 홀 내에 형성되고, 상기 절연패턴은 상기 반도체 구조물과 게이트 패턴들 사이 및 상기 절연막들의 상부면들 및 하부면들 상에 형성되는 반도체 소자의 형성방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 게이트간 절연막들, 상기 반도체 구조물 및 상기 절연 패턴을 형성하는 것은:
    상기 기판 상에 게이트간 절연막들 및 희생막들을 교대로 적층하는 것;
    상기 게이트간 절연막들 및 희생막들을 관통하는 상기 홀을 형성하는 것;
    상기 희생막들을 제거하는 것; 및
    상기 희생막들이 제거된 공간 및 상기 홀을 콘포말하게 덮는 상기 절연 패턴을 형성하는 것을 포함하는 반도체 소자의 형성방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연패턴과 상기 제1 금속막 사이에 베리어층을 형성하는 것을 더 포함하되, 상기 베리어층은 상기 습식 식각시 상기 제1 금속막과 함께 식각되는 반도체 소자의 형성방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연 패턴은 이온결합에 의해 결합되는 화합물을 포함하는 반도체 소자의 형성방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 금속막 및 제2 금속막은 동일한 금속을 포함하는 반도체 소자의 형성방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 금속 소오스 및 제2 금속 소오스는 동일한 금속 원소를 포함하는 반도체 소자의 형성방법.
  8. 기판;
    상기 기판 상에 교대로 적층된 게이트간 절연막들 및 게이트 패턴들;
    상기 게이트간 절연막 및 상기 게이트 패턴들의 측벽을 따라 상기 기판으로부터 위로 연장되는 반도체 구조물; 및
    상기 게이트 패턴들 및 상기 반도체 구조물 사이의 절연 패턴; 을 포함하되,
    상기 게이트 패턴들은 상기 반도체 구조물과 인접한 제1 금속패턴과 상기 제1 금속패턴에 접하되 상기 제1 금속패턴에 의하여 상기 반도체 구조물과 이격되는 제2 금속패턴을 포함하고
    상기 제2 금속 패턴은 상기 반도체 구조물과 인접한 상기 게이트 패턴의 제1 측벽에 마주 제2 측벽에 연장되어
    상기 제2 금속 패턴은 상기 게이트 패턴의 상기 제2 측벽의 상기 절연 패턴보다 돌출되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 금속패턴의 그레인의 크기는 상기 제2 금속패턴의 그레인의 크기보다 작은 반도체 소자.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 금속패턴과 상기 절연패턴 사이에 베리어층을 더 포함하되, 상기 베리어층의 일 면은 상기 제1 금속패턴의 일 면과 공면을 이루는 반도체 소자.
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