KR102554708B1 - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 제1 활성 영역 및 제2 활성 영역을 포함하는 기판; 상기 제1 및 제2 활성 영역들 각각 상의 제1 활성 패턴 및 제2 활성 패턴; 상기 제1 및 제2 활성 패턴들을 각각 가로지르는 제1 게이트 전극 및 제2 게이트 전극; 및 상기 제1 활성 패턴과 상기 제1 게이트 전극 사이에 개재된 제1 게이트 절연 패턴 및 상기 제2 활성 패턴과 상기 제2 게이트 전극 사이에 개재된 제2 게이트 절연 패턴을 포함한다. 상기 제1 게이트 절연 패턴은, 제1 유전 패턴 및 상기 제1 유전 패턴 상의 제1 강유전체 패턴을 포함하고, 상기 제2 게이트 절연 패턴은 제2 유전 패턴을 포함하며, 상기 제1 활성 영역 상의 트랜지스터의 문턱 전압은, 상기 제2 활성 영역 상의 트랜지스터의 문턱 전압과 다르다.The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a substrate including a first active region and a second active region; a first active pattern and a second active pattern on each of the first and second active regions; a first gate electrode and a second gate electrode crossing the first and second active patterns, respectively; and a first gate insulating pattern interposed between the first active pattern and the first gate electrode and a second gate insulating pattern interposed between the second active pattern and the second gate electrode. The first gate insulating pattern includes a first dielectric pattern and a first ferroelectric pattern on the first dielectric pattern, the second gate insulating pattern includes a second dielectric pattern, and the transistor on the first active region The threshold voltage is different from the threshold voltage of the transistor on the second active region.

Description

반도체 소자{Semiconductor device}Semiconductor device {Semiconductor device}

본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 반도체 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a semiconductor device including a field effect transistor and a manufacturing method thereof.

반도체 소자는 모스 전계 효과 트랜지스터들(MOS(Metal Oxide Semiconductor) FET)로 구성된 집적회로를 포함한다. 반도체 소자의 크기 및 디자인 룰(Design rule)이 점차 축소됨에 따라, 모스 전계 효과 트랜지스터들의 크기 축소(scale down)도 점점 가속화되고 있다. 모스 전계 효과 트랜지스터들의 크기 축소에 따라 반도체 소자의 동작 특성이 저하될 수 있다. 이에 따라, 반도체 소자의 고집적화에 따른 한계를 극복하면서 보다 우수한 성능을 반도체 소자를 형성하기 위한 다양한 방법이 연구되고 있다.The semiconductor device includes an integrated circuit composed of MOS field effect transistors (Metal Oxide Semiconductor (MOS) FET). As the size and design rules of semiconductor devices are gradually reduced, the scale down of MOS field effect transistors is also gradually accelerating. As the size of MOS field effect transistors decreases, operating characteristics of semiconductor devices may deteriorate. Accordingly, various methods for forming a semiconductor device with better performance while overcoming limitations due to high integration of semiconductor devices are being studied.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 서로 다른 문턱 전압을 갖는 트랜지스터들을 포함하는 반도체 소자를 제공하는데 있다.An object to be solved by the present invention is to provide a semiconductor device including transistors having different threshold voltages.

본 발명의 개념에 따른, 반도체 소자는, 제1 활성 영역 및 제2 활성 영역을 포함하는 기판; 상기 제1 및 제2 활성 영역들 각각 상의 제1 활성 패턴 및 제2 활성 패턴; 상기 제1 및 제2 활성 패턴들을 각각 가로지르는 제1 게이트 전극 및 제2 게이트 전극; 및 상기 제1 활성 패턴과 상기 제1 게이트 전극 사이에 개재된 제1 게이트 절연 패턴 및 상기 제2 활성 패턴과 상기 제2 게이트 전극 사이에 개재된 제2 게이트 절연 패턴을 포함할 수 있다. 상기 제1 게이트 절연 패턴은, 제1 유전 패턴 및 상기 제1 유전 패턴 상의 제1 강유전체 패턴을 포함하고, 상기 제2 게이트 절연 패턴은 제2 유전 패턴을 포함하며, 상기 제1 활성 영역 상의 트랜지스터의 문턱 전압은, 상기 제2 활성 영역 상의 트랜지스터의 문턱 전압과 다를 수 있다.According to the concept of the present invention, a semiconductor device includes a substrate including a first active region and a second active region; a first active pattern and a second active pattern on each of the first and second active regions; a first gate electrode and a second gate electrode crossing the first and second active patterns, respectively; and a first gate insulating pattern interposed between the first active pattern and the first gate electrode, and a second gate insulating pattern interposed between the second active pattern and the second gate electrode. The first gate insulating pattern includes a first dielectric pattern and a first ferroelectric pattern on the first dielectric pattern, the second gate insulating pattern includes a second dielectric pattern, and the transistor on the first active region A threshold voltage may be different from a threshold voltage of a transistor on the second active region.

본 발명의 다른 개념에 따른, 반도체 소자는, 제1 활성 영역 및 제2 활성 영역을 포함하는 기판; 상기 제1 및 제2 활성 영역들 각각 상의 제1 활성 패턴 및 제2 활성 패턴; 상기 제1 및 제2 활성 패턴들을 각각 가로지르는 제1 게이트 전극 및 제2 게이트 전극; 및 상기 제1 활성 패턴과 상기 제1 게이트 전극 사이에 개재된 제1 게이트 절연 패턴 및 상기 제2 활성 패턴과 상기 제2 게이트 전극 사이에 개재된 제2 게이트 절연 패턴을 포함할 수 있다. 상기 제1 게이트 절연 패턴은, 제1 유전 패턴 및 상기 제1 유전 패턴 상의 제1 강유전체 패턴을 포함하고, 상기 제2 게이트 절연 패턴은, 제1 유전 패턴 및 상기 제1 유전 패턴 상의 제2 강유전체 패턴을 포함하며, 상기 제1 강유전체 패턴의 강유전체 물질, 불순물 농도 및 두께 중 적어도 하나는, 상기 제2 강유전체 패턴과 다를 수 있다.According to another concept of the present invention, a semiconductor device includes a substrate including a first active region and a second active region; a first active pattern and a second active pattern on each of the first and second active regions; a first gate electrode and a second gate electrode crossing the first and second active patterns, respectively; and a first gate insulating pattern interposed between the first active pattern and the first gate electrode, and a second gate insulating pattern interposed between the second active pattern and the second gate electrode. The first gate insulating pattern includes a first dielectric pattern and a first ferroelectric pattern on the first dielectric pattern, and the second gate insulating pattern includes a first dielectric pattern and a second ferroelectric pattern on the first dielectric pattern. At least one of a ferroelectric material, an impurity concentration, and a thickness of the first ferroelectric pattern may be different from that of the second ferroelectric pattern.

본 발명의 또 다른 개념에 따른, 반도체 소자는, 제1 활성 영역 및 제2 활성 영역을 포함하는 기판; 상기 제1 및 제2 활성 영역들 각각 상의 제1 활성 패턴 및 제2 활성 패턴; 상기 제1 및 제2 활성 패턴들을 각각 가로지르는 제1 게이트 전극 및 제2 게이트 전극; 상기 제1 및 제2 게이트 전극들 각각의 측벽 상의 게이트 스페이서; 상기 제1 게이트 전극과 상기 게이트 스페이서 사이에 개재된 제1 유전 패턴 및 제1 강유전체 패턴; 및 상기 제2 게이트 전극과 상기 게이트 스페이서 사이에 개재된 제2 유전 패턴을 포함할 수 있다.According to another concept of the present invention, a semiconductor device includes a substrate including a first active region and a second active region; a first active pattern and a second active pattern on each of the first and second active regions; a first gate electrode and a second gate electrode crossing the first and second active patterns, respectively; a gate spacer on a sidewall of each of the first and second gate electrodes; a first dielectric pattern and a first ferroelectric pattern interposed between the first gate electrode and the gate spacer; and a second dielectric pattern interposed between the second gate electrode and the gate spacer.

본 발명에 따른 반도체 소자는, 트랜지스터의 문턱 전압 스윙 특성이 향상되고 동작전압이 감소될 수 있다. 본 발명에 따른 반도체 소자는, 게이트 절연 패턴의 강유전체 패턴을 이용하여, 영역에 따라 서로 다른 문턱 전압을 갖는 트랜지스터들을 제공할 수 있다.In the semiconductor device according to the present invention, a threshold voltage swing characteristic of a transistor may be improved and an operating voltage may be reduced. A semiconductor device according to the present invention may provide transistors having different threshold voltages according to regions by using a ferroelectric pattern of a gate insulating pattern.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자를 설명하기 위한 평면도이다.
도 2a는 도 1의 A-A'선 및 B-B'선에 따른 단면도이고, 도 2b는 도 1의 C-C'선 및 D-D'선에 따른 단면도이며, 도 2c는 도 1의 E-E'선에 따른 단면도이고, 도 2d는 도 1의 F-F'선에 따른 단면도이다.
도 3, 도 5, 도 7 및 도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 4, 도 6a, 도 8a는 각각 도 3, 도 5, 및 도 7의 A-A'선에 따른 단면도들이다.
도 6b, 도 8b 및 도 10b는 각각 도 5, 도 7 및 도 9의 B-B'선에 따른 단면도들이다.
도 6c, 도 8c 및 도 10c는 각각 도 5, 도 7 및 도 9의 C-C'선에 따른 단면도들이다.
도 10a는 도 9의 A-A'선 및 B-B'선에 따른 단면도이고, 도 10b는 도 1의 C-C'선 및 D-D'선에 따른 단면도이며, 도 10c는 도 1의 E-E'선에 따른 단면도이고, 도 10d는 도 1의 F-F'선에 따른 단면도이다.
도 11 내지 도 15 각각은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자를 설명하기 위한 것으로, 도 1의 -A'선 및 B-B'선에 따른 단면도이다.
도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자를 설명하기 위한 평면도이다.
도 17a는 도 16의 A-A'선 및 B-B'선에 따른 단면도이고, 도 17b는 도 16의 C-C'선에 따른 단면도이고, 도 17c는 도 16의 D-D'선에 따른 단면도이다.
1 is a plan view illustrating a semiconductor device according to example embodiments.
2A is a cross-sectional view taken along lines A-A' and B-B' of FIG. 1, FIG. 2B is a cross-sectional view taken along lines C-C' and D-D' of FIG. 1, and FIG. 2C is a cross-sectional view of FIG. It is a cross-sectional view taken along the line E-E', and FIG. 2d is a cross-sectional view taken along the line F-F' in FIG.
3, 5, 7, and 9 are plan views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to example embodiments.
4, 6a, and 8a are cross-sectional views taken along lines A-A' of FIGS. 3, 5, and 7, respectively.
6B, 8B, and 10B are cross-sectional views taken along line BB′ of FIGS. 5, 7, and 9, respectively.
6c, 8c, and 10c are cross-sectional views taken along line C-C′ of FIGS. 5, 7, and 9, respectively.
10A is a cross-sectional view taken along lines A-A' and B-B' of FIG. 9, FIG. 10B is a cross-sectional view taken along lines C-C' and D-D' of FIG. 1, and FIG. 10C is a cross-sectional view of FIG. It is a cross-sectional view taken along line E-E', and FIG. 10D is a cross-sectional view taken along line F-F' in FIG.
11 to 15 are cross-sectional views taken along lines -A' and BB' of FIG. 1 to describe a semiconductor device according to embodiments of the present invention.
16 is a plan view for explaining a semiconductor device according to example embodiments.
17A is a cross-sectional view taken along lines A-A' and B-B' of FIG. 16, FIG. 17B is a cross-sectional view taken along line C-C' of FIG. 16, and FIG. 17C is a cross-sectional view taken along line D-D' of FIG. It is a cross-section along

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자를 설명하기 위한 평면도이다. 도 2a는 도 1의 A-A'선 및 B-B'선에 따른 단면도이고, 도 2b는 도 1의 C-C'선 및 D-D'선에 따른 단면도이며, 도 2c는 도 1의 E-E'선에 따른 단면도이고, 도 2d는 도 1의 F-F'선에 따른 단면도이다.1 is a plan view illustrating a semiconductor device according to example embodiments. 2A is a cross-sectional view taken along lines A-A' and B-B' of FIG. 1, FIG. 2B is a cross-sectional view taken along lines C-C' and D-D' of FIG. 1, and FIG. 2C is a cross-sectional view of FIG. It is a cross-sectional view taken along the line E-E', and FIG. 2d is a cross-sectional view taken along the line F-F' in FIG.

도 1 및 도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 제1 PMOSFET 영역(PR1), 제2 PMOSFET 영역(PR2), 제1 NMOSFET 영역(NR1) 및 제2 NMOSFET 영역(NR2)을 포함하는 기판(100)이 제공될 수 있다. 기판(100)은 실리콘, 게르마늄, 실리콘-게르마늄 등을 포함하는 반도체 기판이거나 화합물 반도체 기판일 수 있다. 일 예로, 기판(100)은 실리콘 기판일 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 2A to 2D , a substrate 100 including a first PMOSFET region PR1 , a second PMOSFET region PR2 , a first NMOSFET region NR1 , and a second NMOSFET region NR2 this can be provided. The substrate 100 may be a semiconductor substrate including silicon, germanium, silicon-germanium, or the like, or a compound semiconductor substrate. For example, the substrate 100 may be a silicon substrate.

일 실시예로, 제1 및 제2 PMOSFET 영역들(PR1, PR2) 및 제1 및 제2 NMOSFET 영역들(NR1, NR2)은 반도체 소자의 로직 회로를 구성하는 로직 트랜지스터들이 배치되는 로직 셀 영역일 수 있다. 일 예로, 기판(100)의 로직 셀 영역 상에 로직 회로를 구성하는 로직 트랜지스터들이 배치될 수 있다. 제1 및 제2 PMOSFET 영역들(PR1, PR2) 및 제1 및 제2 NMOSFET 영역들(NR1, NR2)은 상기 로직 트랜지스터들 중 일부를 포함할 수 있다.In an embodiment, the first and second PMOSFET regions PR1 and PR2 and the first and second NMOSFET regions NR1 and NR2 may be logic cell regions in which logic transistors constituting a logic circuit of a semiconductor device are disposed. can For example, logic transistors constituting a logic circuit may be disposed on the logic cell region of the substrate 100 . The first and second PMOSFET regions PR1 and PR2 and the first and second NMOSFET regions NR1 and NR2 may include some of the logic transistors.

기판(100)의 상부에 형성된 제2 트렌치(TR2)에 의해 제1 및 제2 PMOSFET 영역들(PR1, PR2) 및 제1 및 제2 NMOSFET 영역들(NR1, NR2)이 정의될 수 있다. 제1 PMOSFET 영역(PR1)과 제1 NMOSFET 영역(NR1) 사이 및 제2 PMOSFET 영역(PR2)과 제2 NMOSFET 영역(NR2) 사이에 제2 트렌치(TR2)가 위치할 수 있다. 제1 PMOSFET 영역(PR1)과 제1 NMOSFET 영역(NR1)은 제2 트렌치(TR2)를 사이에 두고 제1 방향(D1)으로 서로 이격될 수 있다. 제2 PMOSFET 영역(PR2)과 제2 NMOSFET 영역(NR2)은 제2 트렌치(TR2)를 사이에 두고 제1 방향(D1)으로 서로 이격될 수 있다. 제1 PMOSFET 영역(PR1)과 제2 PMOSFET 영역(PR2)은 제2 방향(D2)으로 서로 이격될 수 있다. 제1 NMOSFET 영역(NR1)과 제2 NMOSFET 영역(NR2)은 제2 방향(D2)으로 서로 이격될 수 있다.First and second PMOSFET regions PR1 and PR2 and first and second NMOSFET regions NR1 and NR2 may be defined by the second trench TR2 formed on the upper surface of the substrate 100 . A second trench TR2 may be positioned between the first PMOSFET region PR1 and the first NMOSFET region NR1 and between the second PMOSFET region PR2 and the second NMOSFET region NR2. The first PMOSFET region PR1 and the first NMOSFET region NR1 may be spaced apart from each other in the first direction D1 with the second trench TR2 therebetween. The second PMOSFET region PR2 and the second NMOSFET region NR2 may be spaced apart from each other in the first direction D1 with the second trench TR2 therebetween. The first PMOSFET region PR1 and the second PMOSFET region PR2 may be spaced apart from each other in the second direction D2. The first NMOSFET region NR1 and the second NMOSFET region NR2 may be spaced apart from each other in the second direction D2.

제1 및 제2 PMOSFET 영역들(PR1, PR2) 상에 제1 활성 패턴들(AP1)이 제공될 수 있다. 제1 및 제2 NMOSFET 영역들(NR1, NR2) 상에 제2 활성 패턴들(AP2)이 제공될 수 있다. 제1 및 제2 활성 패턴들(AP1, AP2)은 제2 방향(D2)으로 연장될 수 있다. 제1 및 제2 활성 패턴들(AP1, AP2)은 기판(100)의 일부로써, 수직하게 돌출된 부분들일 수 있다. 서로 인접하는 제1 활성 패턴들(AP1) 사이 및 서로 인접하는 제2 활성 패턴들(AP2) 사이에 제1 트렌치(TR1)가 정의될 수 있다. 제1 트렌치(TR1)는 제2 트렌치(TR2)보다 얕을 수 있다.First active patterns AP1 may be provided on the first and second PMOSFET regions PR1 and PR2 . Second active patterns AP2 may be provided on the first and second NMOSFET regions NR1 and NR2 . The first and second active patterns AP1 and AP2 may extend in the second direction D2. The first and second active patterns AP1 and AP2 are parts of the substrate 100 and may be vertically protruding portions. A first trench TR1 may be defined between the first active patterns AP1 adjacent to each other and between the second active patterns AP2 adjacent to each other. The first trench TR1 may be shallower than the second trench TR2.

소자 분리막(ST)이 제1 및 제2 트렌치들(TR1, TR2)을 채울 수 있다. 소자 분리막(ST)은 실리콘 산화막을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 활성 패턴들(AP1, AP2)의 상부들은 소자 분리막(ST) 위로 수직하게 돌출될 수 있다 (도 2c 참조). 제1 및 제2 활성 패턴들(AP1, AP2)의 상부들 각각은 핀(Fin) 형태를 가질 수 있다. 소자 분리막(ST)은 제1 및 제2 활성 패턴들(AP1, AP2)의 상부들을 덮지 않을 수 있다. 소자 분리막(ST)은 제1 및 제2 활성 패턴들(AP1, AP2)의 하부 측벽들을 덮을 수 있다.An isolation layer ST may fill the first and second trenches TR1 and TR2 . The device isolation layer ST may include a silicon oxide layer. Upper portions of the first and second active patterns AP1 and AP2 may vertically protrude from the device isolation layer ST (see FIG. 2C ). Each of upper portions of the first and second active patterns AP1 and AP2 may have a fin shape. The device isolation layer ST may not cover upper portions of the first and second active patterns AP1 and AP2 . The device isolation layer ST may cover lower sidewalls of the first and second active patterns AP1 and AP2 .

제1 활성 패턴들(AP1)의 상부들에 제1 소스/드레인 패턴들(SD1)이 제공될 수 있다. 제1 소스/드레인 패턴들(SD1)은 제1 도전형(예를 들어, p형)의 불순물 영역들일 수 있다. 한 쌍의 제1 소스/드레인 패턴들(SD1) 사이에 제1 채널 영역(CH1)이 개재될 수 있다. 제2 활성 패턴들(AP2)의 상부들에 제2 소스/드레인 패턴들(SD2)이 제공될 수 있다. 제2 소스/드레인 패턴들(SD2)은 제2 도전형(예를 들어, n형)의 불순물 영역들일 수 있다. 한 쌍의 제2 소스/드레인 패턴들(SD2) 사이에 제2 채널 영역(CH2)이 개재될 수 있다.First source/drain patterns SD1 may be provided on upper portions of the first active patterns AP1 . The first source/drain patterns SD1 may be impurity regions of a first conductivity type (eg, p-type). A first channel region CH1 may be interposed between the pair of first source/drain patterns SD1. Second source/drain patterns SD2 may be provided on upper portions of the second active patterns AP2 . The second source/drain patterns SD2 may be impurity regions of a second conductivity type (eg, n-type). A second channel region CH2 may be interposed between the pair of second source/drain patterns SD2.

제1 및 제2 소스/드레인 패턴들(SD1, SD2)은 선택적 에피택시얼 성장 공정으로 형성된 에피택시얼 패턴들일 수 있다. 제1 및 제2 소스/드레인 패턴들(SD1, SD2)의 상면들은 제1 및 제2 채널 영역들(CH1, CH2)의 상면들보다 더 높은 레벨에 위치할 수 있다. 일 예로, 제1 소스/드레인 패턴들(SD1)은 기판(100)의 반도체 원소의 격자 상수보다 큰 격자 상수를 갖는 반도체 원소(예를 들어, SiGe)를 포함할 수 있다. 이로써, 제1 소스/드레인 패턴들(SD1)은 제1 채널 영역들(CH1)에 압축 응력(compressive stress)을 제공할 수 있다. 일 예로, 제2 소스/드레인 패턴들(SD2)은 기판(100)과 동일한 반도체 원소(예를 들어, Si)를 포함할 수 있다. The first and second source/drain patterns SD1 and SD2 may be epitaxial patterns formed through a selective epitaxial growth process. Top surfaces of the first and second source/drain patterns SD1 and SD2 may be positioned at a higher level than top surfaces of the first and second channel regions CH1 and CH2 . For example, the first source/drain patterns SD1 may include a semiconductor element (eg, SiGe) having a lattice constant greater than that of the semiconductor element of the substrate 100 . Thus, the first source/drain patterns SD1 may provide compressive stress to the first channel regions CH1. For example, the second source/drain patterns SD2 may include the same semiconductor element (eg, Si) as the substrate 100 .

제1 및 제2 활성 패턴들(AP1, AP2)을 가로지르며 제1 방향(D1)으로 연장되는 제1 게이트 전극(GE1) 및 제2 게이트 전극(GE2)이 제공될 수 있다. 제1 게이트 전극(GE1)은 제1 PMOSFET 영역(PR1) 및 제1 NMOSFET 영역(NR1) 상을 가로지를 수 있다. 제2 게이트 전극(GE2)은 제2 PMOSFET 영역(PR2) 및 제2 NMOSFET 영역(NR2) 상을 가로지를 수 있다. 제1 게이트 전극(GE1) 및 제2 게이트 전극(GE2)은 제2 방향(D2)으로 서로 이격될 수 있다.A first gate electrode GE1 and a second gate electrode GE2 may be provided to cross the first and second active patterns AP1 and AP2 and extend in the first direction D1 . The first gate electrode GE1 may cross the first PMOSFET region PR1 and the first NMOSFET region NR1. The second gate electrode GE2 may cross the second PMOSFET region PR2 and the second NMOSFET region NR2. The first gate electrode GE1 and the second gate electrode GE2 may be spaced apart from each other in the second direction D2.

각각의 제1 및 제2 게이트 전극들(GE1, GE2)은 제1 및 제2 채널 영역들(CH1, CH2)과 수직적으로 중첩될 수 있다. 각각의 제1 및 제2 게이트 전극들(GE1, GE2)은, 제1 및 제2 채널 영역들(CH1, CH2) 각각의 상면 및 양 측벽들을 둘러쌀 수 있다 (도 2c 참조).Each of the first and second gate electrodes GE1 and GE2 may vertically overlap the first and second channel regions CH1 and CH2 . Each of the first and second gate electrodes GE1 and GE2 may surround the top surface and both sidewalls of each of the first and second channel regions CH1 and CH2 (see FIG. 2C ).

제1 및 제2 게이트 전극들(GE1, GE2) 각각의 양 측벽들 상에 한 쌍의 게이트 스페이서들(GS)이 배치될 수 있다. 게이트 스페이서들(GS)은 제1 및 제2 게이트 전극들(GE1, GE2)을 따라 제1 방향(D1)으로 연장될 수 있다. 게이트 스페이서들(GS)의 상면들은 제1 및 제2 게이트 전극들(GE1, GE2)의 상면들보다 높을 수 있다. 게이트 스페이서들(GS)의 상면들은 후술할 제1 층간 절연막(110)의 상면과 공면을 이룰 수 있다. 게이트 스페이서들(GS)은 SiCN, SiCON 및 SiN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다른 예로, 게이트 스페이서들(GS)은 SiCN, SiCON 및 SiN 중 적어도 두 개로 이루어진 다중 막(multi-layer)을 포함할 수 있다.A pair of gate spacers GS may be disposed on both sidewalls of each of the first and second gate electrodes GE1 and GE2 . The gate spacers GS may extend in the first direction D1 along the first and second gate electrodes GE1 and GE2 . Top surfaces of the gate spacers GS may be higher than top surfaces of the first and second gate electrodes GE1 and GE2 . Top surfaces of the gate spacers GS may be coplanar with a top surface of the first interlayer insulating layer 110 to be described later. The gate spacers GS may include at least one of SiCN, SiCON, and SiN. As another example, the gate spacers GS may include a multi-layer made of at least two of SiCN, SiCON, and SiN.

제1 및 제2 게이트 전극들(GE1, GE2) 상에 게이트 캐핑 패턴들(GP)이 각각 제공될 수 있다. 게이트 캐핑 패턴들(GP)은 제1 및 제2 게이트 전극들(GE1, GE2)을 따라 제1 방향(D1)으로 연장될 수 있다. 게이트 캐핑 패턴들(GP)은 후술하는 제1 및 제2 층간 절연막들(110, 120)에 대하여 식각 선택성이 있는 물질을 포함할 수 있다. 구체적으로, 게이트 캐핑 패턴들(GP)은 SiON, SiCN, SiCON 및 SiN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.Gate capping patterns GP may be provided on the first and second gate electrodes GE1 and GE2, respectively. The gate capping patterns GP may extend in the first direction D1 along the first and second gate electrodes GE1 and GE2 . The gate capping patterns GP may include a material having etch selectivity with respect to the first and second interlayer insulating layers 110 and 120 to be described later. Specifically, the gate capping patterns GP may include at least one of SiON, SiCN, SiCON, and SiN.

제1 게이트 전극(GE1)과 제1 활성 패턴(AP1) 사이 및 제1 게이트 전극(GE1)과 제2 활성 패턴(AP2) 사이에 제1 게이트 절연 패턴(GI1)이 개재될 수 있다. 제1 게이트 전극(GE1)과 스페이서들(GS) 사이에 제1 게이트 절연 패턴(GI1)이 개재될 수 있다. 제2 게이트 전극(GE2)과 제1 활성 패턴(AP1) 사이 및 제2 게이트 전극(GE2)과 제2 활성 패턴(AP2) 사이에 제2 게이트 절연 패턴(GI2)이 개재될 수 있다. 제2 게이트 전극(GE2)과 스페이서들(GS) 사이에 제2 게이트 절연 패턴(GI2)이 개재될 수 있다.A first gate insulating pattern GI1 may be interposed between the first gate electrode GE1 and the first active pattern AP1 and between the first gate electrode GE1 and the second active pattern AP2. A first gate insulating pattern GI1 may be interposed between the first gate electrode GE1 and the spacers GS. A second gate insulating pattern GI2 may be interposed between the second gate electrode GE2 and the first active pattern AP1 and between the second gate electrode GE2 and the second active pattern AP2. A second gate insulating pattern GI2 may be interposed between the second gate electrode GE2 and the spacers GS.

제1 및 제2 게이트 절연 패턴들(GI1, GI2)은, 제1 및 제2 게이트 전극들(GE1, GE2)의 바닥면들을 따라 각각 연장될 수 있다. 제1 및 제2 게이트 절연 패턴들(GI1, GI2) 각각은, 제1 채널 영역(CH1)의 상면 및 양 측벽들을 덮을 수 있다. 제1 및 제2 게이트 절연 패턴들(GI1, GI2) 각각은, 제2 채널 영역(CH2)의 상면 및 양 측벽들을 덮을 수 있다. 제1 및 제2 게이트 절연 패턴들(GI1, GI2)은, 제1 및 제2 게이트 전극들(GE1, GE2) 아래의 소자 분리막(ST)의 상면을 덮을 수 있다 (도 2c 참조).The first and second gate insulating patterns GI1 and GI2 may extend along bottom surfaces of the first and second gate electrodes GE1 and GE2 , respectively. Each of the first and second gate insulating patterns GI1 and GI2 may cover the upper surface and both sidewalls of the first channel region CH1 . Each of the first and second gate insulating patterns GI1 and GI2 may cover the upper surface and both sidewalls of the second channel region CH2 . The first and second gate insulating patterns GI1 and GI2 may cover the top surface of the device isolation layer ST below the first and second gate electrodes GE1 and GE2 (see FIG. 2C ).

제1 게이트 절연 패턴(GI1)은, 유전 패턴(DE) 및 유전 패턴(DE) 상의 강유전체 패턴(FE)을 포함할 수 있다. 강유전체 패턴(FE)의 두께는 유전 패턴(DE)의 두께보다 크거나 같을 수 있다.The first gate insulating pattern GI1 may include a dielectric pattern DE and a ferroelectric pattern FE on the dielectric pattern DE. A thickness of the ferroelectric pattern FE may be greater than or equal to a thickness of the dielectric pattern DE.

본 발명에 따른 유전 패턴(DE)은 포지티브 캐패시터(양의 캐패시터)로 기능할 수 있다. 유전 패턴(DE)은, 실리콘 산화막, 고유전율 막, 또는 실리콘 산화막과 고유전율 막이 순차적으로 적층된 다중막을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 고유전율 막은 하프늄 산화물, 하프늄 실리콘 산화물, 란탄 산화물, 지르코늄 산화물, 지르코늄 실리콘 산화물, 탄탈 산화물, 티타늄 산화물, 바륨 스트론튬 티타늄 산화물, 바륨 티타늄 산화물, 스트론튬 티타늄 산화물, 리튬 산화물, 알루미늄 산화물, 납 스칸듐 탄탈 산화물, 및 납 아연 니오브산염 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The dielectric pattern DE according to the present invention may function as a positive capacitor (positive capacitor). The dielectric pattern DE may include a silicon oxide layer, a high dielectric constant layer, or a multilayer in which a silicon oxide layer and a high dielectric constant layer are sequentially stacked. For example, the high-k film may include hafnium oxide, hafnium silicon oxide, lanthanum oxide, zirconium oxide, zirconium silicon oxide, tantalum oxide, titanium oxide, barium strontium titanium oxide, barium titanium oxide, strontium titanium oxide, lithium oxide, aluminum oxide, and lead. It may include at least one of scandium tantalum oxide and lead zinc niobate.

본 발명에 따른 강유전체 패턴(FE)은 네가티브 캐패시터(음의 캐패시터)로 기능할 수 있다. 예를 들어, 외부 전압이 강유전체 패턴(FE)에 인가될 때, 강유전체 패턴(FE) 내부의 다이폴들(dipoles)의 이동에 의해 초기 극성 상태에서 다른 상태로의 위상 변화로 인한 음의 캐패시턴스 효과(negative capacitance effect)가 발생할 수 있다. 이 경우, 강유전체 패턴(FE)을 포함하는 본 발명의 트랜지스터의 전체 캐패시턴스가 증가할 수 있고, 이에 따라 트랜지스터의 문턱 전압 스윙(Sub-threshold swing) 특성이 향상되고 동작전압이 감소될 수 있다.The ferroelectric pattern FE according to the present invention may function as a negative capacitor (negative capacitor). For example, when an external voltage is applied to the ferroelectric pattern FE, a negative capacitance effect due to a phase change from an initial polar state to another state due to movement of dipoles inside the ferroelectric pattern FE ( negative capacitance effect). In this case, the total capacitance of the transistor of the present invention including the ferroelectric pattern FE may increase, and accordingly, the sub-threshold swing characteristics of the transistor may be improved and the operating voltage may be reduced.

강유전체 패턴(FE)은 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 알루미늄(Al) 및 란탄(La) 중 적어도 하나가 도핑된(또는 함유된) 하프늄 산화물을 포함할 수 있다. 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 알루미늄(Al) 및 란탄(La) 중 적어도 하나가 소정의 비율로 하프늄 산화물에 도핑됨으로써, 강유전체 패턴(FE)의 적어도 일부는 사방정계 결정 구조(Orthorhombic crystal structure)를 가질 수 있다. 강유전체 패턴(FE)의 적어도 일부가 사방정계 결정 구조를 가질 때, 음의 캐패시턴스 효과가 발생할 수 있다. 강유전체 패턴(FE) 내에서 사방정계 결정 구조를 갖는 부분의 부피 비율은 10% 내지 50%일 수 있다. The ferroelectric pattern FE may include hafnium oxide doped with (or containing) at least one of zirconium (Zr), silicon (Si), aluminum (Al), and lanthanum (La). By doping hafnium oxide with at least one of zirconium (Zr), silicon (Si), aluminum (Al), and lanthanum (La) in a predetermined ratio, at least a portion of the ferroelectric pattern FE has an orthorhombic crystal structure ) can have. When at least a portion of the ferroelectric pattern FE has an orthorhombic crystal structure, a negative capacitance effect may occur. A volume ratio of a portion having an orthorhombic crystal structure in the ferroelectric pattern FE may be 10% to 50%.

강유전체 패턴(FE)이 지르코늄이 도핑된 하프늄 산화물(ZrHfO)을 포함할 경우, 전제 Zr 및 Hf 원자들 중 Zr 원자의 비율(Zr/(Hf+Zr))은 45 at% 내지 55 at%일 수 있다. 강유전체 패턴(FE)이 실리콘이 도핑된 하프늄 산화물(SiHfO)을 포함할 경우, 전제 Si 및 Hf 원자들 중 Si 원자의 비율(Si/(Hf+Si))은 4 at% 내지 6 at%일 수 있다. 강유전체 패턴(FE)이 알루미늄이 도핑된 하프늄 산화물(AlHfO)을 포함할 경우, 전제 Al 및 Hf 원자들 중 Al 원자의 비율(Al/(Hf+Al))은 5 at% 내지 10 at%일 수 있다. 강유전체 패턴(FE)이 란탄이 도핑된 하프늄 산화물(LaHfO)을 포함할 경우, 전제 La 및 Hf 원자들 중 La 원자의 비율(La/(Hf+La))은 5 at% 내지 10 at%일 수 있다.When the ferroelectric pattern FE includes zirconium-doped hafnium oxide (ZrHfO), the ratio of Zr atoms (Zr/(Hf+Zr)) among all Zr and Hf atoms may be 45 at% to 55 at%. there is. When the ferroelectric pattern FE includes silicon-doped hafnium oxide (SiHfO), the ratio of Si atoms (Si/(Hf+Si)) among all Si and Hf atoms may be 4 at% to 6 at%. there is. When the ferroelectric pattern FE includes aluminum-doped hafnium oxide (AlHfO), the ratio of Al atoms (Al/(Hf+Al)) among all Al and Hf atoms may be 5 at% to 10 at%. there is. When the ferroelectric pattern FE includes hafnium oxide (LaHfO) doped with lanthanum, the ratio of La atoms (La/(Hf+La)) among all La and Hf atoms may be 5 at% to 10 at% there is.

제2 게이트 절연 패턴(GI2)은 유전 패턴(DE)을 포함할 수 있다. 제2 게이트 절연 패턴(GI2)은 유전 패턴(DE)으로 구성될 수 있다. 다시 말하면, 제2 게이트 절연 패턴(GI2)은 강유전체 패턴(FE)을 포함하지 않을 수 있다.The second gate insulating pattern GI2 may include a dielectric pattern DE. The second gate insulating pattern GI2 may include a dielectric pattern DE. In other words, the second gate insulating pattern GI2 may not include the ferroelectric pattern FE.

각각의 제1 및 제2 게이트 전극들(GE1, GE2)은, 순차적으로 적층된 제1 일함수 금속 패턴(WF1), 제2 일함수 금속 패턴(WF2) 및 전극 패턴(EL)을 포함할 수 있다. 제1 일함수 금속 패턴(WF1)은 강유전체 패턴(FE) 상에 제공될 수 있다. 다시 말하면, 강유전체 패턴(FE)은 제1 일함수 금속 패턴(WF1)과 제1 및 제2 채널 영역들(CH1, CH2) 사이에 개재될 수 있다.Each of the first and second gate electrodes GE1 and GE2 may include a first work function metal pattern WF1, a second work function metal pattern WF2, and an electrode pattern EL that are sequentially stacked. there is. The first work function metal pattern WF1 may be provided on the ferroelectric pattern FE. In other words, the ferroelectric pattern FE may be interposed between the first work function metal pattern WF1 and the first and second channel regions CH1 and CH2.

제1 일함수 금속 패턴(WF1)은 금속 질화막, 예를 들어 티타늄 질화막(TiN) 또는 탄탈 질화막(TaN)을 포함할 수 있다. 제2 일함수 금속 패턴(WF2)은 알루미늄 또는 실리콘이 도핑된(또는 함유된) 금속 카바이드을 포함할 수 있다. 일 예로, 제2 일함수 금속 패턴(WF2)은 TiAlC, TaAlC, TiSiC 또는 TaSiC를 포함할 수 있다. 전극 패턴(EL)은, 제1 일함수 금속 패턴(WF1) 및 제2 일함수 금속 패턴(WF2)에 비해 저항이 낮을 수 있다. 일 예로, 전극 패턴(EL)은 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta) 중 적어도 하나의 저저항 금속을 포함할 수 있다.The first work function metal pattern WF1 may include a metal nitride layer, for example, a titanium nitride layer (TiN) or a tantalum nitride layer (TaN). The second work function metal pattern WF2 may include metal carbide doped with (or containing) aluminum or silicon. For example, the second work function metal pattern WF2 may include TiAlC, TaAlC, TiSiC, or TaSiC. The electrode pattern EL may have lower resistance than the first work function metal pattern WF1 and the second work function metal pattern WF2 . For example, the electrode pattern EL may include at least one low-resistance metal among aluminum (Al), tungsten (W), titanium (Ti), and tantalum (Ta).

도 2a에 나타난 제1 및 제2 PMOSFET 영역들(PR1, PR2) 상의 제1 일함수 금속 패턴(WF1)의 두께는, 도 2에 나타난 제1 및 제2 NMOSFET 영역들(NR1, NR2) 상의 제1 일함수 금속 패턴(WF1)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 도 2에 나타난 제1 및 제2 NMOSFET 영역들(NR1, NR2) 상의 제2 일함수 금속 패턴(WF2)의 두께는, 도 2a에 나타난 제1 및 제2 PMOSFET 영역들(PR1, PR2) 상의 제1 일함수 금속 패턴(WF1)의 두께보다 두꺼울 수 있다.The thickness of the first work function metal pattern WF1 on the first and second PMOSFET regions PR1 and PR2 shown in FIG. 2A is the thickness of the first and second NMOSFET regions NR1 and NR2 shown in FIG. 2 . It may be thicker than the thickness of the 1 work function metal pattern WF1. The thickness of the second work function metal pattern WF2 on the first and second NMOSFET regions NR1 and NR2 shown in FIG. 2 is the first and second work function metal pattern WF2 on the first and second PMOSFET regions PR1 and PR2 shown in FIG. 2A. It may be thicker than the thickness of the 1 work function metal pattern WF1.

기판(100) 상에 제1 층간 절연막(110)이 제공될 수 있다. 제1 층간 절연막(110)은 게이트 스페이서들(GS) 및 제1 및 제2 소스/드레인 패턴들(SD1, SD2)을 덮을 수 있다. 제1 층간 절연막(110)의 상면은 게이트 캐핑 패턴들(GP)의 상면들 및 게이트 스페이서들(GS)의 상면들과 실질적으로 공면을 이룰 수 있다. 제1 층간 절연막(110) 상에, 게이트 캐핑 패턴들(GP)을 덮는 제2 층간 절연막(120)이 배치될 수 있다. 일 예로, 제1 및 제2 층간 절연막들(110, 120)은 실리콘 산화막을 포함할 수 있다.A first interlayer insulating film 110 may be provided on the substrate 100 . The first interlayer insulating layer 110 may cover the gate spacers GS and the first and second source/drain patterns SD1 and SD2 . A top surface of the first interlayer insulating layer 110 may be substantially coplanar with top surfaces of the gate capping patterns GP and top surfaces of the gate spacers GS. A second interlayer insulating layer 120 covering the gate capping patterns GP may be disposed on the first interlayer insulating layer 110 . For example, the first and second interlayer insulating films 110 and 120 may include a silicon oxide film.

제1 및 제2 게이트 전극들(GE1, GE2) 각각의 양 측에 인접하는 활성 콘택들(AC)이 제공될 수 있다. 활성 콘택들(AC)은 제1 및 제2 층간 절연막들(110, 120)을 관통하여 제1 및 제2 소스/드레인 패턴들(SD1, SD2)과 전기적으로 연결될 수 있다. 활성 콘택들(AC)은 금속 물질, 예를 들어 알루미늄, 구리, 텅스텐, 몰리브데늄 및 코발트 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.Active contacts AC adjacent to both sides of each of the first and second gate electrodes GE1 and GE2 may be provided. The active contacts AC may be electrically connected to the first and second source/drain patterns SD1 and SD2 through the first and second interlayer insulating layers 110 and 120 . The active contacts AC may include at least one of metal materials such as aluminum, copper, tungsten, molybdenum, and cobalt.

제1 및 제2 소스/드레인 패턴들(SD1, SD2)과 활성 콘택(AC) 사이에 실리사이드층(미도시)이 개재될 수 있다. 활성 콘택(AC)은 상기 실리사이드층을 통해 제1 및 제2 소스/드레인 패턴들(SD1, SD2)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 실리사이드층은 금속-실리사이드(Metal-Silicide)를 포함할 수 있으며, 일 예로 티타늄-실리사이드, 탄탈륨-실리사이드, 텅스텐-실리사이드, 니켈-실리사이드, 및 코발트-실리사이드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.A silicide layer (not shown) may be interposed between the first and second source/drain patterns SD1 and SD2 and the active contact AC. The active contact AC may be electrically connected to the first and second source/drain patterns SD1 and SD2 through the silicide layer. The silicide layer may include metal-silicide, and for example, may include at least one of titanium-silicide, tantalum-silicide, tungsten-silicide, nickel-silicide, and cobalt-silicide.

제2 소자 분리막(ST2) 상에, 제2 층간 절연막(120) 및 게이트 캐핑 패턴(GP)을 관통하여 제1 및 제2 게이트 전극들(GE1, GE2)과 전기적으로 연결되는 게이트 콘택들(GC)이 배치될 수 있다. 게이트 콘택들(GC)은 활성 콘택들(AC)과 동일한 금속 물질을 포함할 수 있다.Gate contacts GC electrically connected to the first and second gate electrodes GE1 and GE2 on the second isolation layer ST2 through the second interlayer insulating layer 120 and the gate capping pattern GP. ) can be placed. The gate contacts GC may include the same metal material as the active contacts AC.

본 발명의 실시예들에 따르면, 게이트 전극과 채널 영역 사이에 강유전체 패턴(FE)이 제공될 수 있다. 강유전체 패턴(FE)은 사방정계 결정 구조를 포함함으로써, 음의 캐패시턴스 효과를 발생시킬 수 있다. 결과적으로, 트랜지스터의 문턱 전압 스윙 특성이 향상되고 동작전압이 감소될 수 있다.According to example embodiments, a ferroelectric pattern FE may be provided between the gate electrode and the channel region. The ferroelectric pattern FE may generate a negative capacitance effect by including an orthorhombic crystal structure. As a result, the threshold voltage swing characteristics of the transistor may be improved and the operating voltage may be reduced.

본 발명의 실시예들에 따르면, 제2 게이트 절연 패턴(GI2)은 유전 패턴(DE)만을 포함하고, 제1 게이트 절연 패턴(GI1)은 유전 패턴(DE)뿐만 아니라 강유전체 패턴(FE)을 추가로 포함할 수 있다. 이로써, 제1 PMOSFET 영역(PR1) 상의 트랜지스터의 문턱 전압은 제2 PMOSFET 영역(PR2) 상의 트랜지스터의 문턱 전압과 다를 수 있다. 제1 NMOSFET 영역(NR1) 상의 트랜지스터의 문턱 전압은 제2 NMOSFET 영역(NR2) 상의 트랜지스터의 문턱 전압과 다를 수 있다. 결과적으로 게이트 절연 패턴을 구성하는 막들을 영역에 따라 서로 다르게 변경함으로써, 트랜지스터의 문턱 전압을 영역에 따라 서로 다르게 설정할 수 있다. According to example embodiments, the second gate insulating pattern GI2 includes only the dielectric pattern DE, and the first gate insulating pattern GI1 includes not only the dielectric pattern DE but also the ferroelectric pattern FE. can be included with Thus, the threshold voltage of the transistor on the first PMOSFET region PR1 may be different from the threshold voltage of the transistor on the second PMOSFET region PR2. The threshold voltage of the transistor on the first NMOSFET region NR1 may be different from the threshold voltage of the transistor on the second NMOSFET region NR2. As a result, by changing the layers constituting the gate insulating pattern differently according to the region, the threshold voltage of the transistor can be set differently according to the region.

도 3, 도 5, 도 7 및 도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 평면도들이다. 도 4, 도 6a, 도 8a는 각각 도 3, 도 5, 및 도 7의 A-A'선에 따른 단면도들이다. 도 6b, 도 8b 및 도 10b는 각각 도 5, 도 7 및 도 9의 B-B'선에 따른 단면도들이다. 도 6c, 도 8c 및 도 10c는 각각 도 5, 도 7 및 도 9의 C-C'선에 따른 단면도들이다. 도 10a는 도 9의 A-A'선 및 B-B'선에 따른 단면도이고, 도 10b는 도 1의 C-C'선 및 D-D'선에 따른 단면도이며, 도 10c는 도 1의 E-E'선에 따른 단면도이고, 도 10d는 도 1의 F-F'선에 따른 단면도이다.3, 5, 7, and 9 are plan views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to example embodiments. 4, 6a, and 8a are cross-sectional views taken along lines A-A' of FIGS. 3, 5, and 7, respectively. 6B, 8B, and 10B are cross-sectional views taken along line BB′ of FIGS. 5, 7, and 9, respectively. 6c, 8c, and 10c are cross-sectional views taken along line C-C′ of FIGS. 5, 7, and 9, respectively. 10A is a cross-sectional view taken along lines A-A' and B-B' of FIG. 9, FIG. 10B is a cross-sectional view taken along lines C-C' and D-D' of FIG. 1, and FIG. 10C is a cross-sectional view of FIG. It is a cross-sectional view taken along line E-E', and FIG. 10D is a cross-sectional view taken along line F-F' in FIG.

도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 PMOSFET 영역(PR1), 제2 PMOSFET 영역(PR2), 제1 NMOSFET 영역(NR1) 및 제2 NMOSFET 영역(NR2)을 포함하는 기판(100)이 제공될 수 있다. 기판(100)을 패터닝하여, 제1 및 제2 활성 패턴들(AP1, AP2)이 형성될 수 있다. 제1 및 제2 PMOSFET 영역들(PR1, PR2) 상에 제1 활성 패턴들(AP1)이 형성될 수 있고, 제1 및 제2 NMOSFET 영역들(NR1, NR2) 상에 제2 활성 패턴들(AP2)이 형성될 수 있다. 제1 활성 패턴들(AP1) 사이 및 제2 활성 패턴들(AP2) 사이에 제1 트렌치(TR1)가 형성될 수 있다.3 and 4, a substrate 100 including a first PMOSFET region PR1, a second PMOSFET region PR2, a first NMOSFET region NR1, and a second NMOSFET region NR2 is provided. can By patterning the substrate 100 , first and second active patterns AP1 and AP2 may be formed. First active patterns AP1 may be formed on the first and second PMOSFET regions PR1 and PR2, and second active patterns AP1 may be formed on the first and second NMOSFET regions NR1 and NR2. AP2) can be formed. A first trench TR1 may be formed between the first active patterns AP1 and between the second active patterns AP2 .

기판(100)을 패터닝하여, 제1 PMOSFET 영역(PR1)과 제1 NMOSFET 영역(NR1) 사이 및 제2 PMOSFET 영역(PR2)과 제2 NMOSFET 영역(NR2) 사이에 제2 트렌치(TR2)가 형성될 수 있다. 제2 트렌치(TR2)는 제1 트렌치(TR1)보다 깊게 형성될 수 있다.The substrate 100 is patterned to form a second trench TR2 between the first PMOSFET region PR1 and the first NMOSFET region NR1 and between the second PMOSFET region PR2 and the second NMOSFET region NR2. It can be. The second trench TR2 may be formed deeper than the first trench TR1.

기판(100) 상에 제1 및 제2 트렌치들(TR1, TR2)을 채우는 소자 분리막(ST)이 형성될 수 있다. 소자 분리막(ST)은, 실리콘 산화막 같은 절연 물질을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 활성 패턴들(AP1, AP2)의 상부들이 노출될 때까지 소자 분리막(ST)이 리세스될 수 있다. 이로써, 제1 및 제2 활성 패턴들(AP1, AP2)의 상부들은 소자 분리막(ST) 위로 수직하게 돌출될 수 있다.An isolation layer ST may be formed on the substrate 100 to fill the first and second trenches TR1 and TR2 . The device isolation layer ST may include an insulating material such as a silicon oxide layer. The device isolation layer ST may be recessed until upper portions of the first and second active patterns AP1 and AP2 are exposed. Thus, upper portions of the first and second active patterns AP1 and AP2 may protrude vertically above the isolation layer ST.

도 5 및 도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 제1 및 제2 활성 패턴들(AP1, AP2)을 가로지르는 제1 희생 패턴(PP1) 및 제2 희생 패턴(PP2)이 형성될 수 있다. 제1 희생 패턴(PP1)은 제1 PMOSFET 영역(PR1) 및 제1 NMOSFET 영역(NR1)을 가로지를 수 있고, 제2 희생 패턴(PP2)은 제2 PMOSFET 영역(PR2) 및 제2 NMOSFET 영역(NR2)을 가로지를 수 있다. 제1 및 제2 희생 패턴들(PP1, PP2)은 제1 방향(D1)으로 연장되는 라인 형태(line shape) 또는 바 형태(bar shape)로 형성될 수 있다. 5 and 6A to 6C , a first sacrificial pattern PP1 and a second sacrificial pattern PP2 crossing the first and second active patterns AP1 and AP2 may be formed. The first sacrificial pattern PP1 may cross the first PMOSFET region PR1 and the first NMOSFET region NR1, and the second sacrificial pattern PP2 may cross the second PMOSFET region PR2 and the second NMOSFET region ( NR2) can be crossed. The first and second sacrificial patterns PP1 and PP2 may be formed in a line shape or bar shape extending in the first direction D1 .

구체적으로 제1 및 제2 희생 패턴들(PP1, PP2)을 형성하는 것은, 기판(100)의 전면 상에 희생막을 형성하는 것, 상기 희생막 상에 하드 마스크 패턴들(MA)을 형성하는 것, 및 하드 마스크 패턴들(MA)을 식각 마스크로 상기 희생막을 패터닝하는 것을 포함할 수 있다. 상기 희생막은 폴리 실리콘막을 포함할 수 있다.Specifically, forming the first and second sacrificial patterns PP1 and PP2 includes forming a sacrificial layer on the entire surface of the substrate 100 and forming hard mask patterns MA on the sacrificial layer. and patterning the sacrificial layer using hard mask patterns MA as an etch mask. The sacrificial layer may include a polysilicon layer.

제1 및 제2 희생 패턴들(PP1, PP2) 각각의 양 측벽들 상에 한 쌍의 게이트 스페이서들(GS)이 형성될 수 있다. 게이트 스페이서들(GS)은, 제1 및 제2 활성 패턴들(AP1, AP2) 각각의 양 측벽들 상에도 형성될 수 있다. 제1 및 제2 활성 패턴들(AP1, AP2) 각각의 양 측벽들은, 소자 분리막(ST) 및 희생 패턴들(PP)에 의해 덮이지 않고 노출된 부분일 수 있다.A pair of gate spacers GS may be formed on both sidewalls of each of the first and second sacrificial patterns PP1 and PP2 . Gate spacers GS may also be formed on both sidewalls of each of the first and second active patterns AP1 and AP2 . Both sidewalls of each of the first and second active patterns AP1 and AP2 may be exposed portions that are not covered by the device isolation layer ST and the sacrificial patterns PP.

게이트 스페이서들(GS)을 형성하는 것은, 기판(100)의 전면 상에 게이트 스페이서막을 콘포멀하게 형성하는 것, 및 상기 게이트 스페이서막을 이방성 식각하는 것을 포함할 수 있다. 상기 게이트 스페이서막은 SiCN, SiCON 및 SiN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다른 예로, 상기 게이트 스페이서막은 SiCN, SiCON 및 SiN 중 적어도 두 개를 포함하는 다중 막(multi-layer)일 수 있다.Forming the gate spacers GS may include conformally forming a gate spacer layer on the entire surface of the substrate 100 and anisotropically etching the gate spacer layer. The gate spacer layer may include at least one of SiCN, SiCON, and SiN. As another example, the gate spacer layer may be a multi-layer including at least two of SiCN, SiCON, and SiN.

도 7 및 도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 제1 활성 패턴들(AP1) 각각의 상부에 제1 소스/드레인 패턴들(SD1)이 형성될 수 있다. 한 쌍의 제1 소스/드레인 패턴들(SD1)은, 제1 및 제2 희생 패턴들(PP1, PP2) 각각의 양측에 형성될 수 있다.Referring to FIGS. 7 and 8A to 8C , first source/drain patterns SD1 may be formed on each of the first active patterns AP1. A pair of first source/drain patterns SD1 may be formed on both sides of each of the first and second sacrificial patterns PP1 and PP2 .

구체적으로, 하드 마스크 패턴들(MA) 및 게이트 스페이서들(GS)을 식각 마스크로 제1 활성 패턴들(AP1)의 상부들을 식각하여, 제1 리세스 영역들을 형성할 수 있다. 제1 활성 패턴들(AP1)의 상부들을 식각하는 동안, 제1 활성 패턴들(AP1) 각각의 양 측벽들 상의 게이트 스페이서들(GS)이 함께 제거될 수 있다. 제1 활성 패턴들(AP1)의 상부들을 식각하는 동안, 제1 활성 패턴들(AP1) 사이의 소자 분리막(ST)이 리세스될 수 있다. Specifically, first recess regions may be formed by etching upper portions of the first active patterns AP1 using the hard mask patterns MA and the gate spacers GS as an etch mask. While the upper portions of the first active patterns AP1 are etched, the gate spacers GS on both sidewalls of each of the first active patterns AP1 may be removed together. While the upper portions of the first active patterns AP1 are being etched, the device isolation layer ST between the first active patterns AP1 may be recessed.

제1 활성 패턴들(AP1)의 상기 제1 리세스 영역들의 내측벽들을 씨드층(seed layer)으로 하는 선택적 에피택시얼 성장(Selective Epitaxial Growth) 공정을 수행하여, 제1 소스/드레인 패턴들(SD1)이 형성될 수 있다. 제1 소스/드레인 패턴들(SD1)이 형성됨에 따라, 한 쌍의 제1 소스/드레인 패턴들(SD1) 사이에 제1 채널 영역(CH1)이 정의될 수 있다. 일 예로, 상기 선택적 에피택시얼 성장 공정은 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition: CVD) 공정 또는 분자 빔 에피택시(Molecular Beam Epitaxy: MBE) 공정을 포함할 수 있다. 제1 소스/드레인 패턴들(SD1)은 기판(100)의 반도체 원소의 격자 상수보다 큰 격자 상수를 갖는 반도체 원소(예를 들어, SiGe)를 포함할 수 있다. 각각의 제1 소스/드레인 패턴들(SD1)은 다층의 반도체 층들로 형성될 수 있다.By performing a selective epitaxial growth process using the inner walls of the first recess regions of the first active patterns AP1 as a seed layer, the first source/drain patterns ( SD1) can be formed. As the first source/drain patterns SD1 are formed, a first channel region CH1 may be defined between the pair of first source/drain patterns SD1. For example, the selective epitaxial growth process may include a chemical vapor deposition (CVD) process or a molecular beam epitaxy (MBE) process. The first source/drain patterns SD1 may include a semiconductor element (eg, SiGe) having a lattice constant greater than that of the semiconductor element of the substrate 100 . Each of the first source/drain patterns SD1 may be formed of multiple semiconductor layers.

일 예로, 제1 소스/드레인 패턴들(SD1)을 형성하기 위한 선택적 에피택시얼 성장 공정 동안 불순물이 인-시추(in-situ)로 주입될 수 있다. 다른 예로, 제1 소스/드레인 패턴들(SD1)이 형성된 후 제1 소스/드레인 패턴들(SD1)에 불순물이 주입될 수 있다. 제1 소스/드레인 패턴들(SD1)은 제1 도전형(예를 들어, p형)을 갖도록 도핑될 수 있다.For example, impurities may be implanted in-situ during a selective epitaxial growth process for forming the first source/drain patterns SD1 . As another example, impurities may be implanted into the first source/drain patterns SD1 after the first source/drain patterns SD1 are formed. The first source/drain patterns SD1 may be doped to have a first conductivity type (eg, p-type).

제2 활성 패턴들(AP2) 각각의 상부에 제2 소스/드레인 패턴들(SD2)이 형성될 수 있다. 한 쌍의 제2 소스/드레인 패턴들(SD2)은, 희생 패턴들(PP) 각각의 양측에 형성될 수 있다.Second source/drain patterns SD2 may be formed on each of the second active patterns AP2 . A pair of second source/drain patterns SD2 may be formed on both sides of each of the sacrificial patterns PP.

구체적으로, 하드 마스크 패턴들(MA) 및 게이트 스페이서들(GS)을 식각 마스크로 제2 활성 패턴들(AP2)의 상부들을 식각하여, 제2 리세스 영역들을 형성할 수 있다. 제2 활성 패턴들(AP2)의 상기 제2 리세스 영역들의 내측벽들을 씨드층으로 하는 선택적 에피택시얼 성장 공정을 수행하여, 제2 소스/드레인 패턴들(SD2)이 형성될 수 있다. 제2 소스/드레인 패턴들(SD2)이 형성됨에 따라, 한 쌍의 제2 소스/드레인 패턴들(SD2) 사이에 제2 채널 영역(CH2)이 정의될 수 있다. 일 예로, 제2 소스/드레인 패턴들(SD2)은 기판(100)과 동일한 반도체 원소(예를 들어, Si)를 포함할 수 있다. 제2 소스/드레인 패턴들(SD2)은 제2 도전형(예를 들어, n형)을 갖도록 도핑될 수 있다.Specifically, second recess regions may be formed by etching upper portions of the second active patterns AP2 using the hard mask patterns MA and the gate spacers GS as an etch mask. Second source/drain patterns SD2 may be formed by performing a selective epitaxial growth process using inner walls of the second recess regions of the second active patterns AP2 as seed layers. As the second source/drain patterns SD2 are formed, a second channel region CH2 may be defined between the pair of second source/drain patterns SD2. For example, the second source/drain patterns SD2 may include the same semiconductor element (eg, Si) as the substrate 100 . The second source/drain patterns SD2 may be doped to have a second conductivity type (eg, n-type).

제1 소스/드레인 패턴들(SD1)과 제2 소스/드레인 패턴들(SD2)은 서로 다른 공정을 통하여 순차적으로 형성될 수 있다. 다시 말하면, 제1 소스/드레인 패턴들(SD1)과 제2 소스/드레인 패턴들(SD2)은 동시에 형성되지 않을 수 있다.The first source/drain patterns SD1 and the second source/drain patterns SD2 may be sequentially formed through different processes. In other words, the first source/drain patterns SD1 and the second source/drain patterns SD2 may not be formed at the same time.

도 9 및 도 10a 내지 도 10d를 참조하면, 제1 및 제2 소스/드레인 패턴들(SD1, SD2), 하드 마스크 패턴들(MA) 및 게이트 스페이서들(GS)을 덮는 제1 층간 절연막(110)이 형성될 수 있다. 일 예로, 제1 층간 절연막(110)은 실리콘 산화막을 포함할 수 있다.9 and 10A to 10D , the first interlayer insulating layer 110 covers the first and second source/drain patterns SD1 and SD2, the hard mask patterns MA, and the gate spacers GS. ) can be formed. For example, the first interlayer insulating film 110 may include a silicon oxide film.

제1 및 제2 희생 패턴들(PP1, PP2)의 상면들이 노출될 때까지 제1 층간 절연막(110)이 평탄화될 수 있다. 제1 층간 절연막(110)의 평탄화는 에치백(Etch Back) 또는 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 평탄화 공정 동안, 하드 마스크 패턴들(MA)은 모두 제거될 수 있다. 결과적으로, 제1 층간 절연막(110)의 상면은 제1 및 제2 희생 패턴들(PP1, PP2)의 상면들 및 게이트 스페이서들(GS)의 상면들과 공면을 이룰 수 있다. The first interlayer insulating layer 110 may be planarized until top surfaces of the first and second sacrificial patterns PP1 and PP2 are exposed. Planarization of the first interlayer insulating layer 110 may be performed using an etch back or chemical mechanical polishing (CMP) process. During the planarization process, all of the hard mask patterns MA may be removed. As a result, the top surface of the first interlayer insulating layer 110 may be coplanar with the top surfaces of the first and second sacrificial patterns PP1 and PP2 and the top surfaces of the gate spacers GS.

제1 및 제2 희생 패턴들(PP1, PP2)이 제1 및 제2 게이트 전극들(GE1, GE2)로 각각 교체될 수 있다. 구체적으로, 노출된 제1 및 제2 희생 패턴들(PP1, PP2)이 선택적으로 제거될 수 있다. 제1 및 제2 희생 패턴들(PP1, PP2)이 제거됨으로써, 제1 빈 공간(ET1) 및 제2 빈 공간(ET2)이 각각 형성될 수 있다. The first and second sacrificial patterns PP1 and PP2 may be replaced with the first and second gate electrodes GE1 and GE2, respectively. Specifically, the exposed first and second sacrificial patterns PP1 and PP2 may be selectively removed. By removing the first and second sacrificial patterns PP1 and PP2 , a first empty space ET1 and a second empty space ET2 may be formed, respectively.

제1 빈 공간(ET1) 내에 제1 게이트 절연 패턴(GI1) 및 제1 게이트 전극(GE1)이 형성될 수 있다. 제1 게이트 절연 패턴(GI1)을 형성하는 것은, 제1 빈 공간(ET1)을 부분적으로 채우는 유전 패턴(DE) 및 강유전체 패턴(FE)을 순차적으로 형성하는 것을 포함할 수 있다. 유전 패턴(DE)은, 실리콘 산화막, 고유전율 막, 또는 실리콘 산화막과 고유전율 막이 순차적으로 적층된 다중막을 포함할 수 있다. 강유전체 패턴(FE)은 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 알루미늄(Al) 및 란탄(La) 중 적어도 하나가 도핑된(또는 함유된) 하프늄 산화물을 이용하여 형성될 수 있다. 제1 게이트 전극(GE1)을 형성하는 것은, 강유전체 패턴(FE) 상에 제1 일함수 금속 패턴(WF1), 제2 일함수 금속 패턴(WF2) 및 전극 패턴(EL)을 순차적으로 형성하는 것을 포함할 수 있다. A first gate insulating pattern GI1 and a first gate electrode GE1 may be formed in the first empty space ET1. Forming the first gate insulating pattern GI1 may include sequentially forming a dielectric pattern DE and a ferroelectric pattern FE partially filling the first empty space ET1 . The dielectric pattern DE may include a silicon oxide layer, a high dielectric constant layer, or a multilayer in which a silicon oxide layer and a high dielectric constant layer are sequentially stacked. The ferroelectric pattern FE may be formed using hafnium oxide doped with (or containing) at least one of zirconium (Zr), silicon (Si), aluminum (Al), and lanthanum (La). Forming the first gate electrode GE1 means sequentially forming the first work function metal pattern WF1, the second work function metal pattern WF2, and the electrode pattern EL on the ferroelectric pattern FE. can include

제2 빈 공간(ET2) 내에 제2 게이트 절연 패턴(GI2) 및 제2 게이트 전극(GE2)이 형성될 수 있다. 제2 게이트 절연 패턴(GI2)을 형성하는 것은, 제1 빈 공간(ET1)을 부분적으로 채우는 유전 패턴(DE)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 제2 게이트 전극(GE2)을 형성하는 것은, 유전 패턴(DE) 상에 제1 일함수 금속 패턴(WF1), 제2 일함수 금속 패턴(WF2) 및 전극 패턴(EL)을 순차적으로 형성하는 것을 포함할 수 있다. A second gate insulating pattern GI2 and a second gate electrode GE2 may be formed in the second empty space ET2 . Forming the second gate insulating pattern GI2 may include forming a dielectric pattern DE partially filling the first empty space ET1 . Forming the second gate electrode GE2 means sequentially forming the first work function metal pattern WF1, the second work function metal pattern WF2, and the electrode pattern EL on the dielectric pattern DE. can include

제1 및 제2 빈 공간들(ET1, ET2) 내에 제1 및 제2 게이트 전극들(GE1, GE2)이 각각 형성된 이후, 제1 층간 절연막(110)의 상면이 노출될 때까지 평탄화 공정이 수행될 수 있다.After the first and second gate electrodes GE1 and GE2 are formed in the first and second empty spaces ET1 and ET2, a planarization process is performed until the upper surface of the first interlayer insulating film 110 is exposed. It can be.

도 1 및 도 2a 내지 도 2d를 다시 참조하면, 제1 층간 절연막(110) 상에 제2 층간 절연막(120)이 형성될 수 있다. 제2 층간 절연막(120)은 실리콘 산화막 또는 low-k 산화막을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 low-k 산화막은 SiCOH와 같이 탄소로 도핑된 실리콘 산화막을 포함할 수 있다. 제2 층간 절연막(120)은 CVD 공정에 의해 형성될 수 있다.Referring back to FIGS. 1 and 2A to 2D , a second interlayer insulating film 120 may be formed on the first interlayer insulating film 110 . The second interlayer insulating layer 120 may include a silicon oxide layer or a low-k oxide layer. For example, the low-k oxide layer may include a silicon oxide layer doped with carbon such as SiCOH. The second interlayer insulating film 120 may be formed by a CVD process.

제2 층간 절연막(120) 및 제1 층간 절연막(110)을 관통하여 제1 및 제2 소스/드레인 패턴들(SD1, SD2)과 전기적으로 연결되는 활성 콘택들(AC)이 형성될 수 있다. 제2 소자 분리막(ST2) 상에, 제2 층간 절연막(120) 및 게이트 캐핑 패턴(GP)을 관통하여 제1 및 제2 게이트 전극들(GE1, GE2)과 전기적으로 연결되는 게이트 콘택들(GC)이 형성될 수 있다.Active contacts AC electrically connected to the first and second source/drain patterns SD1 and SD2 may be formed through the second interlayer insulating layer 120 and the first interlayer insulating layer 110 . Gate contacts GC electrically connected to the first and second gate electrodes GE1 and GE2 on the second isolation layer ST2 through the second interlayer insulating layer 120 and the gate capping pattern GP. ) can be formed.

도 11 내지 도 16 각각은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자를 설명하기 위한 것으로, 도 1의 -A'선 및 B-B'선에 따른 단면도이다. 본 실시예에서는, 앞서 도 1 및 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 설명한 것과 중복되는 기술적 특징에 대한 상세한 설명은 생략하고, 차이점에 대해 상세히 설명한다.11 to 16 are cross-sectional views taken along lines -A' and BB' of FIG. 1 to describe a semiconductor device according to example embodiments. In this embodiment, detailed descriptions of technical features overlapping with those previously described with reference to FIGS. 1 and 2A to 2D will be omitted, and differences will be described in detail.

도 1 및 도 11을 참조하면, 제1 일함수 금속 패턴(WF1)의 상부가 챔퍼링되어, 제1 일함수 금속 패턴(WF1)의 상면(WF1t)이 전극 패턴(EL)의 상면(ELt)보다 낮아질 수 있다. 제2 일함수 금속 패턴(WF2)은 제1 일함수 금속 패턴(WF1)의 상면(WF1t)을 덮을 수 있다. 제1 일함수 금속 패턴(WF1)의 상부가 챔퍼링됨으로써, 전극 패턴(EL)의 상부의 폭이 증가될 수 있다. 1 and 11, the top of the first work function metal pattern WF1 is chamfered so that the top surface WF1t of the first work function metal pattern WF1 is the top surface ELt of the electrode pattern EL. can be lower than The second work function metal pattern WF2 may cover the top surface WF1t of the first work function metal pattern WF1 . As the upper portion of the first work function metal pattern WF1 is chamfered, the width of the upper portion of the electrode pattern EL may be increased.

도 1 및 도 12를 참조하면, 제1 게이트 절연 패턴(GI1)은 유전 패턴(DE) 및 제1 강유전체 패턴(FE1)을 포함할 수 있고, 제2 게이트 절연 패턴(GI2)은 유전 패턴(DE) 및 제2 강유전체 패턴(FE2)을 포함할 수 있다. 1 and 12 , the first gate insulating pattern GI1 may include a dielectric pattern DE and a first ferroelectric pattern FE1, and the second gate insulating pattern GI2 may include a dielectric pattern DE. ) and a second ferroelectric pattern FE2.

제1 강유전체 패턴(FE1)과 제2 강유전체 패턴(FE2)은 서로 다른 강유전체 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 강유전체 패턴(FE1)은 지르코늄이 도핑된 하프늄 산화물을 포함할 수 있고, 제2 강유전체 패턴(FE2)은 알루미늄이 도핑된 하프늄 산화물을 포함할 수 있다. The first ferroelectric pattern FE1 and the second ferroelectric pattern FE2 may include different ferroelectric materials. For example, the first ferroelectric pattern FE1 may include hafnium oxide doped with zirconium, and the second ferroelectric pattern FE2 may include hafnium oxide doped with aluminum.

제1 강유전체 패턴(FE1)과 제2 강유전체 패턴(FE2)은 서로 동일한 강유전체 물질을 포함할 수 있다. 다만, 제1 강유전체 패턴(FE1) 내의 불순물의 농도와 제2 강유전체 패턴(FE2) 내의 불순물의 농도는 서로 다를 수 있다. 일 예로, 제1 강유전체 패턴(FE1)과 제2 강유전체 패턴(FE2)은 지르코늄이 도핑된 하프늄 산화물을 포함할 수 있고, 이때 제1 강유전체 패턴(FE1)의 Zr/(Hf+Zr)은 45 at%이고, 제2 강유전체 패턴(FE2)의 Zr/(Hf+Zr)은 55 at%일 수 있다. The first ferroelectric pattern FE1 and the second ferroelectric pattern FE2 may include the same ferroelectric material. However, the impurity concentration in the first ferroelectric pattern FE1 and the impurity concentration in the second ferroelectric pattern FE2 may be different from each other. For example, the first ferroelectric pattern FE1 and the second ferroelectric pattern FE2 may include hafnium oxide doped with zirconium, and in this case, Zr/(Hf+Zr) of the first ferroelectric pattern FE1 is 45 at %, and Zr/(Hf+Zr) of the second ferroelectric pattern FE2 may be 55 at%.

제1 강유전체 패턴(FE1)과 제2 강유전체 패턴(FE2)은 서로 실질적으로 동일한 두께를 가질 수 있다. 또는, 제1 강유전체 패턴(FE1)과 제2 강유전체 패턴(FE2)은 서로 다른 두께를 가질 수 있다. The first ferroelectric pattern FE1 and the second ferroelectric pattern FE2 may have substantially the same thickness as each other. Alternatively, the first ferroelectric pattern FE1 and the second ferroelectric pattern FE2 may have different thicknesses.

도 1 및 도 13를 참조하면, 제1 게이트 절연 패턴(GI1)은 유전 패턴(DE), 제1 강유전체 패턴(FE1) 및 제2 강유전체 패턴(FE2)을 포함할 수 있고, 제2 게이트 절연 패턴(GI2)은 유전 패턴(DE) 및 제2 강유전체 패턴(FE2)을 포함할 수 있다. 제1 게이트 절연 패턴(GI1)의 제2 강유전체 패턴(FE2)은 제1 일함수 금속 패턴(WF1)과 제1 강유전체 패턴(FE1) 사이에 개재될 수 있다. 제1 강유전체 패턴(FE1) 및 제2 강유전체 패턴(FE2)에 관한 설명은 앞서 도 12를 참조하여 설명한 것과 실질적으로 동일할 수 있다. 1 and 13 , the first gate insulating pattern GI1 may include a dielectric pattern DE, a first ferroelectric pattern FE1 and a second ferroelectric pattern FE2, and the second gate insulating pattern (GI2) may include a dielectric pattern (DE) and a second ferroelectric pattern (FE2). The second ferroelectric pattern FE2 of the first gate insulating pattern GI1 may be interposed between the first work function metal pattern WF1 and the first ferroelectric pattern FE1. Descriptions of the first ferroelectric pattern FE1 and the second ferroelectric pattern FE2 may be substantially the same as those previously described with reference to FIG. 12 .

도 1 및 도 14를 참조하면, 제1 및 제2 게이트 절연 패턴들(GI1, GI2) 각각은 유전 패턴(DE) 및 강유전체 패턴(FE)을 포함할 수 있다. 제1 게이트 절연 패턴(GI1)의 강유전체 패턴(FE)과 제2 게이트 절연 패턴(GI2)의 강유전체 패턴(FE)은 서로 동일한 강유전체 물질을 포함할 수 있다. 제1 게이트 절연 패턴(GI1)의 강유전체 패턴(FE) 내의 불순물의 농도와 제2 게이트 절연 패턴(GI2)의 강유전체 패턴(FE) 내의 불순물의 농도는 서로 동일할 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 14 , each of the first and second gate insulating patterns GI1 and GI2 may include a dielectric pattern DE and a ferroelectric pattern FE. The ferroelectric pattern FE of the first gate insulating pattern GI1 and the ferroelectric pattern FE of the second gate insulating pattern GI2 may include the same ferroelectric material. Concentrations of impurities in the ferroelectric pattern FE of the first gate insulating pattern GI1 and concentrations of impurities in the ferroelectric pattern FE of the second gate insulating pattern GI2 may be equal to each other.

제1 게이트 절연 패턴(GI1)의 강유전체 패턴(FE)은 제1 두께(T1)를 가질 수 있고, 제2 게이트 절연 패턴(GI2)의 강유전체 패턴(FE)은 제2 두께(T2)를 가질 수 있다. 제1 두께(T1)는 제2 두께(T2)보다 클 수 있다. The ferroelectric pattern FE of the first gate insulating pattern GI1 may have a first thickness T1, and the ferroelectric pattern FE of the second gate insulating pattern GI2 may have a second thickness T2. there is. The first thickness T1 may be greater than the second thickness T2.

도 1 및 도 15를 참조하면, 제1 게이트 전극(GE1)은 제1 게이트 절연 패턴(GI1)과 제1 일함수 금속 패턴(WF1) 사이에 개재된 배리어 패턴(BM)을 더 포함할 수 있다. 제2 게이트 전극(GE2)은 제2 게이트 절연 패턴(GI2)과 제1 일함수 금속 패턴(WF1) 사이에 개재된 배리어 패턴(BM)을 더 포함할 수 있다. 배리어 패턴(BM)은, 제1 일함수 금속 패턴(WF1)과 게이트 절연 패턴(GI1, GI2)간의 금속 원소의 확산을 방지할 수 있다. 일 예로, 배리어 패턴(BM)은 TiN, TaC, TaN, TiSiN, TaTiN, TaSiN 또는 이들의 조합(다중막)을 포함할 수 있다.1 and 15 , the first gate electrode GE1 may further include a barrier pattern BM interposed between the first gate insulating pattern GI1 and the first work function metal pattern WF1. . The second gate electrode GE2 may further include a barrier pattern BM interposed between the second gate insulating pattern GI2 and the first work function metal pattern WF1. The barrier pattern BM may prevent diffusion of a metal element between the first work function metal pattern WF1 and the gate insulating patterns GI1 and GI2. For example, the barrier pattern BM may include TiN, TaC, TaN, TiSiN, TaTiN, TaSiN, or a combination thereof (multilayer).

도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자를 설명하기 위한 평면도이다. 도 17a는 도 16의 A-A'선 및 B-B'선에 따른 단면도이고, 도 17b는 도 16의 C-C'선에 따른 단면도이고, 도 17c는 도 16의 D-D'선에 따른 단면도이다. 본 실시예에서는, 앞서 도 1 및 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 설명한 것과 중복되는 기술적 특징에 대한 상세한 설명은 생략하고, 차이점에 대해 상세히 설명한다.16 is a plan view for explaining a semiconductor device according to example embodiments. 17A is a cross-sectional view taken along lines A-A' and B-B' of FIG. 16, FIG. 17B is a cross-sectional view taken along line C-C' of FIG. 16, and FIG. 17C is a cross-sectional view taken along line D-D' of FIG. It is a cross-section along In this embodiment, detailed descriptions of technical features overlapping with those previously described with reference to FIGS. 1 and 2A to 2D will be omitted, and differences will be described in detail.

도 16 및 도 17a 내지 도 17c를 참조하면, 제1 활성 영역(AR1) 및 제2 활성 영역(AR2)을 포함하는 기판(100)이 제공될 수 있다. 제1 및 제2 활성 영역들(AR1, AR2) 상에 활성 패턴들(AP)이 제공될 수 있다. 일 예로, 제1 및 제2 활성 영역들(AR1, AR2)은 로직 셀 영역일 수 있다. 상기 로직 셀 영역 상에 로직 회로를 구성하는 로직 트랜지스터들이 배치될 수 있다.Referring to FIGS. 16 and 17A to 17C , a substrate 100 including a first active region AR1 and a second active region AR2 may be provided. Active patterns AP may be provided on the first and second active regions AR1 and AR2 . For example, the first and second active regions AR1 and AR2 may be logic cell regions. Logic transistors constituting a logic circuit may be disposed on the logic cell region.

기판(100) 상에 소자 분리막(ST)이 제공될 수 있다. 소자 분리막(ST)은 기판(100)의 상부에 활성 패턴들(AP)을 정의할 수 있다. 활성 패턴들(AP)은 제2 방향(D2)으로 연장되는 라인 형태 또는 바(bar) 형태를 가질 수 있다.An element isolation layer ST may be provided on the substrate 100 . The device isolation layer ST may define active patterns AP on the substrate 100 . The active patterns AP may have a line shape or a bar shape extending in the second direction D2 .

소자 분리막(ST)은 서로 인접하는 한 쌍의 활성 패턴들(AP) 사이의 트렌치(TR)를 채울 수 있다. 소자 분리막(ST)의 상면은 활성 패턴들(AP)의 상면들보다 더 낮을 수 있다. The device isolation layer ST may fill a trench TR between a pair of adjacent active patterns AP. A top surface of the device isolation layer ST may be lower than top surfaces of the active patterns AP.

활성 패턴(AP) 상에, 소스/드레인 패턴들(SD), 및 서로 인접하는 한 쌍의 소스/드레인 패턴들(SD) 사이에 개재된 채널 패턴(CHP)이 제공될 수 있다. 채널 패턴(CHP)은, 순차적으로 적층된 제1 내지 제3 반도체 패턴들(SP1, SP2, SP3)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제3 반도체 패턴들(SP1, SP2, SP3)은 기판(100)의 상면에 수직한 제3 방향(D3)으로 서로 이격될 수 있다. 제1 내지 제3 반도체 패턴들(SP1, SP2, SP3)은 서로 수직적으로 중첩될 수 있다. 각각의 소스/드레인 패턴들(SD)은, 제1 내지 제3 반도체 패턴들(SP1, SP2, SP3) 각각의 일 측벽과 직접 접촉할 수 있다. 다시 말하면, 제1 내지 제3 반도체 패턴들(SP1, SP2, SP3)은, 서로 인접하는 한 쌍의 소스/드레인 패턴들(SD)을 연결할 수 있다.Source/drain patterns SD and a channel pattern CHP interposed between a pair of adjacent source/drain patterns SD may be provided on the active pattern AP. The channel pattern CHP may include sequentially stacked first to third semiconductor patterns SP1 , SP2 , and SP3 . The first to third semiconductor patterns SP1 , SP2 , and SP3 may be spaced apart from each other in a third direction D3 perpendicular to the upper surface of the substrate 100 . The first to third semiconductor patterns SP1 , SP2 , and SP3 may vertically overlap each other. Each of the source/drain patterns SD may directly contact one sidewall of each of the first to third semiconductor patterns SP1 , SP2 , and SP3 . In other words, the first to third semiconductor patterns SP1 , SP2 , and SP3 may connect a pair of adjacent source/drain patterns SD.

채널 패턴(CHP)의 제1 내지 제3 반도체 패턴들(SP1, SP2, SP3)은 서로 동일한 두께를 가질 수 있으며, 또는 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 일 예로, 채널 패턴(CHP)의 제1 내지 제3 반도체 패턴들(SP1, SP2, SP3)은, 제2 방향(D2)으로 서로 다른 최대 길이를 가질 수 있다. 일 예로, 제1 반도체 패턴(SP1)의 제2 방향(D2)으로의 최대 길이는 제1 길이일 수 있다. 제2 반도체 패턴(SP2)의 제2 방향(D2)으로의 최대 길이는 제2 길이일 수 있다. 상기 제1 길이는 상기 제2 길이보다 클 수 있다.The first to third semiconductor patterns SP1 , SP2 , and SP3 of the channel pattern CHP may have the same thickness or different thicknesses. For example, the first to third semiconductor patterns SP1 , SP2 , and SP3 of the channel pattern CHP may have different maximum lengths in the second direction D2 . For example, the maximum length of the first semiconductor pattern SP1 in the second direction D2 may be the first length. The maximum length of the second semiconductor pattern SP2 in the second direction D2 may be the second length. The first length may be greater than the second length.

채널 패턴(CHP)의 제1 내지 제3 반도체 패턴들(SP1, SP2, SP3)은 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 및 실리콘-게르마늄(SiGe) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 채널 패턴(CHP)은 제1 내지 제3 반도체 패턴들(SP1, SP2, SP3)을 포함하는 것으로 예시되어 있으나, 반도체 패턴들의 개수는 특별히 제한되지 않는다.The first to third semiconductor patterns SP1 , SP2 , and SP3 of the channel pattern CHP may include at least one of silicon (Si), germanium (Ge), and silicon-germanium (SiGe). The channel pattern CHP is illustrated as including first to third semiconductor patterns SP1 , SP2 , and SP3 , but the number of semiconductor patterns is not particularly limited.

각각의 소스/드레인 패턴들(SD)은, 채널 패턴(CHP)의 제1 내지 제3 반도체 패턴들(SP1, SP2, SP3) 및 활성 패턴(AP)을 씨드층으로 하여 형성된 에피택시얼 패턴일 수 있다. 일 예로, 소스/드레인 패턴(SD)은 그의 중간부(middle portion)에서 제2 방향(D2)으로의 최대 폭을 가질 수 있다 (도 17a 참조). 소스/드레인 패턴(SD)의 제2 방향(D2)으로의 폭은, 그의 상부에서 상기 중간부로 갈수록 증가할 수 있다. 소스/드레인 패턴(SD)의 제2 방향(D2)으로의 폭은, 상기 중간부에서 그의 하부로 갈수록 감소할 수 있다. 소스/드레인 패턴들(SD)은 p형의 불순물 영역들 또는 n형의 불순물 영역들일 수 있다. 일 예로, 소스/드레인 패턴들(SD)은 SiGe 또는 Si를 포함할 수 있다.Each of the source/drain patterns SD is an epitaxial pattern formed by using the first to third semiconductor patterns SP1 , SP2 , and SP3 of the channel pattern CHP and the active pattern AP as a seed layer. can For example, the source/drain pattern SD may have a maximum width in the second direction D2 at a middle portion thereof (see FIG. 17A ). A width of the source/drain pattern SD in the second direction D2 may increase from an upper portion thereof toward the middle portion. A width of the source/drain pattern SD in the second direction D2 may decrease from the middle portion to a lower portion thereof. The source/drain patterns SD may be p-type impurity regions or n-type impurity regions. For example, the source/drain patterns SD may include SiGe or Si.

제1 활성 영역(AR1) 상의 채널 패턴(CHP)을 가로지르며 제1 방향(D1)으로 연장되는 제1 게이트 전극(GE1), 및 제2 활성 영역(AR2) 상의 채널 패턴(CHP)을 가로지르며 제1 방향(D1)으로 연장되는 제2 게이트 전극(GE2)이 제공될 수 있다. 제1 및 제2 게이트 전극들(GE1, GE2)은 제2 방향(D2)으로 서로 이격될 수 있다. 각각의 제1 및 제2 게이트 전극들(GE1, GE2)은 채널 패턴(CHP)과 수직적으로 중첩될 수 있다. 제1 및 제2 게이트 전극들(GE1, GE2) 각각의 양 측벽들 상에 한 쌍의 게이트 스페이서들(GS)이 배치될 수 있다. 제1 및 제2 게이트 전극들(GE1, GE2) 상에 게이트 캐핑 패턴들(GP)이 각각 제공될 수 있다.A first gate electrode GE1 extending in the first direction D1 crossing the channel pattern CHP on the first active region AR1 and crossing the channel pattern CHP on the second active region AR2 A second gate electrode GE2 extending in the first direction D1 may be provided. The first and second gate electrodes GE1 and GE2 may be spaced apart from each other in the second direction D2. Each of the first and second gate electrodes GE1 and GE2 may vertically overlap the channel pattern CHP. A pair of gate spacers GS may be disposed on both sidewalls of each of the first and second gate electrodes GE1 and GE2 . Gate capping patterns GP may be provided on the first and second gate electrodes GE1 and GE2, respectively.

각각의 제1 및 제2 게이트 전극들(GE1, GE2)은, 순차적으로 적층된 제1 일함수 금속 패턴(WF1), 제2 일함수 금속 패턴(WF2) 및 전극 패턴(EL)을 포함할 수 있다. 제1 일함수 금속 패턴(WF1)은 각각의 제1 내지 제3 반도체 패턴들(SP1, SP2, SP3)을 둘러쌀 수 있다 (도 17b 참조). 다시 말하면, 제1 일함수 금속 패턴(WF1)은 제1 내지 제3 반도체 패턴들(SP1, SP2, SP3) 각각의 상면, 바닥면 및 양 측벽들을 둘러쌀 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 트랜지스터들은 게이트-올-어라운드(Gate-All-Around)형 전계 효과 트랜지스터일 수 있다.Each of the first and second gate electrodes GE1 and GE2 may include a first work function metal pattern WF1, a second work function metal pattern WF2, and an electrode pattern EL that are sequentially stacked. there is. The first work function metal pattern WF1 may surround each of the first to third semiconductor patterns SP1 , SP2 , and SP3 (see FIG. 17B ). In other words, the first work function metal pattern WF1 may surround the top and bottom surfaces and both sidewalls of each of the first to third semiconductor patterns SP1 , SP2 , and SP3 . That is, the transistors according to the present embodiment may be gate-all-around type field effect transistors.

제1 내지 제3 반도체 패턴들(SP1, SP2, SP3)과 제1 게이트 전극(GE1) 사이에 제1 게이트 절연 패턴(GI1)이 제공될 수 있다. 제1 내지 제3 반도체 패턴들(SP1, SP2, SP3)과 제2 게이트 전극(GE2) 사이에 제2 게이트 절연 패턴(GI2)이 제공될 수 있다. 제1 게이트 절연 패턴(GI1)은 유전 패턴(DE) 및 강유전체 패턴(FE)을 포함할 수 있고, 제2 게이트 절연 패턴(GI2)은 유전 패턴(DE)을 포함할 수 있다. 제2 게이트 절연 패턴(GI2)은 강유전체 패턴(FE)을 포함하지 않을 수 있다.A first gate insulating pattern GI1 may be provided between the first to third semiconductor patterns SP1 , SP2 , and SP3 and the first gate electrode GE1 . A second gate insulating pattern GI2 may be provided between the first to third semiconductor patterns SP1 , SP2 , and SP3 and the second gate electrode GE2 . The first gate insulating pattern GI1 may include a dielectric pattern DE and a ferroelectric pattern FE, and the second gate insulating pattern GI2 may include a dielectric pattern DE. The second gate insulating pattern GI2 may not include the ferroelectric pattern FE.

각각의 제1 및 제2 게이트 절연 패턴들(GI1, GI2)은 제1 내지 제3 반도체 패턴들(SP1, SP2, SP3)을 둘러쌀 수 있다. 각각의 제1 및 제2 게이트 절연 패턴들(GI1, GI2)은 활성 패턴(AP)의 상부와 제1 일함수 금속 패턴(WF1) 사이에 개재될 수 있다. 각각의 제1 및 제2 게이트 절연 패턴들(GI1, GI2)은 소자 분리막(ST)과 제1 일함수 금속 패턴(WF1) 사이에 개재될 수 있다. Each of the first and second gate insulating patterns GI1 and GI2 may surround the first to third semiconductor patterns SP1 , SP2 and SP3 . Each of the first and second gate insulating patterns GI1 and GI2 may be interposed between an upper portion of the active pattern AP and the first work function metal pattern WF1. Each of the first and second gate insulating patterns GI1 and GI2 may be interposed between the device isolation layer ST and the first work function metal pattern WF1.

유전 패턴(DE), 강유전체 패턴(FE), 제1 일함수 금속 패턴(WF1), 제2 일함수 금속 패턴(WF2) 및 전극 패턴(EL)에 관한 구체적인 설명은, 앞서 도 1 및 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 설명한 것과 실질적으로 동일할 수 있다.A detailed description of the dielectric pattern DE, the ferroelectric pattern FE, the first work function metal pattern WF1, the second work function metal pattern WF2, and the electrode pattern EL is shown in FIGS. 1 and 2A to 2A It may be substantially the same as that described with reference to FIG. 2d.

제1 활성 영역(AR1) 상의 제1 반도체 패턴(SP1) 및 제2 반도체 패턴(SP2) 사이에 제1 공간(SA1)이 정의될 수 있다. 다시 말하면, 수직하게 서로 인접하는 한 쌍의 반도체 패턴들(SP1, SP2, SP3) 사이에 제1 공간(SA1)이 정의될 수 있다.A first space SA1 may be defined between the first semiconductor pattern SP1 and the second semiconductor pattern SP2 on the first active region AR1. In other words, a first space SA1 may be defined between a pair of vertically adjacent semiconductor patterns SP1 , SP2 , and SP3 .

유전 패턴(DE), 강유전체 패턴(FE) 및 제1 일함수 금속 패턴(WF1)이 제1 공간(SA1)을 채울 수 있다. 유전 패턴(DE) 및 강유전체 패턴(FE)은 제1 공간(SA1)을 콘포멀하게 채울 수 있다. 제1 일함수 금속 패턴(WF1)은, 제1 게이트 절연 패턴(GI1)을 제외한 제1 공간(SA1)의 남은 영역을 완전히 채울 수 있다. 제2 일함수 금속 패턴(WF2) 및 전극 패턴(EL)은 제1 공간(SA1)을 채우지 못할 수 있다. 제1 공간(SA1) 내의 제1 게이트 절연 패턴(GI1)은 소스/드레인 패턴(SD)과 접할 수 있다 (도 17a 참조). 다시 말하면, 제1 공간(SA1) 내의 제1 게이트 절연 패턴(GI1)은 제1 게이트 전극(GE1)과 소스/드레인 패턴(SD) 사이에 개재될 수 있다.The dielectric pattern DE, the ferroelectric pattern FE, and the first work function metal pattern WF1 may fill the first space SA1. The dielectric pattern DE and the ferroelectric pattern FE may conformally fill the first space SA1 . The first work function metal pattern WF1 may completely fill the remaining area of the first space SA1 except for the first gate insulating pattern GI1. The second work function metal pattern WF2 and the electrode pattern EL may not fill the first space SA1. The first gate insulating pattern GI1 in the first space SA1 may contact the source/drain pattern SD (see FIG. 17A ). In other words, the first gate insulating pattern GI1 in the first space SA1 may be interposed between the first gate electrode GE1 and the source/drain pattern SD.

제1 활성 영역(AR1) 상의 최상부의 반도체 패턴, 즉 제3 반도체 패턴(SP3) 상에 제2 공간(SA2)이 정의될 수 있다. 제2 공간(SA2)은, 한 쌍의 게이트 스페이서들(GS), 게이트 캐핑 패턴(GP) 및 제3 반도체 패턴(SP3)에 의해 둘러싸인 공간일 수 있다.A second space SA2 may be defined on the uppermost semiconductor pattern on the first active region AR1, that is, on the third semiconductor pattern SP3. The second space SA2 may be a space surrounded by a pair of gate spacers GS, a gate capping pattern GP, and a third semiconductor pattern SP3.

유전 패턴(DE), 강유전체 패턴(FE), 제1 일함수 금속 패턴(WF1), 제2 일함수 금속 패턴(WF2) 및 전극 패턴(EL)이 제2 공간(SA2)을 채울 수 있다. 제2 공간(SA2)을 채우는 유전 패턴(DE), 강유전체 패턴(FE), 제1 일함수 금속 패턴(WF1), 제2 일함수 금속 패턴(WF2) 및 전극 패턴(EL)의 형태는, 앞서 도 1 및 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 설명한 것과 유사할 수 있다.The dielectric pattern DE, the ferroelectric pattern FE, the first work function metal pattern WF1 , the second work function metal pattern WF2 , and the electrode pattern EL may fill the second space SA2 . The shapes of the dielectric pattern DE, the ferroelectric pattern FE, the first work function metal pattern WF1, the second work function metal pattern WF2, and the electrode pattern EL filling the second space SA2 are as described above. It may be similar to that described with reference to FIGS. 1 and 2A to 2D.

기판(100)의 전면 상에 제1 층간 절연막(110) 및 제2 층간 절연막(120)이 제공될 수 있다. 제1 및 제2 층간 절연막들(110, 120)을 관통하여 소스/드레인 패턴들(SD)에 연결되는 활성 콘택들(AC)이 제공될 수 있다. A first interlayer insulating film 110 and a second interlayer insulating film 120 may be provided on the entire surface of the substrate 100 . Active contacts AC connected to the source/drain patterns SD may be provided through the first and second interlayer insulating layers 110 and 120 .

이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명은 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수도 있다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, the present invention may be implemented in other specific forms without changing its technical spirit or essential features. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

Claims (20)

제1 활성 영역 및 제2 활성 영역을 포함하는 기판;
상기 제1 및 제2 활성 영역들 각각 상의 제1 활성 패턴 및 제2 활성 패턴;
상기 제1 및 제2 활성 패턴들을 정의하는 트렌치를 채우는 소자 분리막;
상기 제1 및 제2 활성 패턴들을 각각 가로지르는 제1 게이트 전극 및 제2 게이트 전극; 및
상기 제1 활성 패턴과 상기 제1 게이트 전극 사이에 개재된 제1 게이트 절연 패턴 및 상기 제2 활성 패턴과 상기 제2 게이트 전극 사이에 개재된 제2 게이트 절연 패턴을 포함하되,
상기 제1 게이트 절연 패턴은, 제1 유전 패턴 및 상기 제1 유전 패턴 상의 제1 강유전체 패턴을 포함하고,
상기 제2 게이트 절연 패턴은 제2 유전 패턴을 포함하며,
상기 제1 활성 영역 상의 트랜지스터의 문턱 전압은, 상기 제2 활성 영역 상의 트랜지스터의 문턱 전압과 다르고,
상기 제1 및 제2 활성 패턴들 각각의 상부는 상기 소자 분리막 위로 수직하게 돌출되며,
상기 제1 강유전체 패턴은, 상기 제1 활성 패턴의 상기 상부의 상면 및 양 측벽들 상에 제공되는 반도체 소자.
a substrate including a first active region and a second active region;
a first active pattern and a second active pattern on each of the first and second active regions;
a device isolation layer filling the trench defining the first and second active patterns;
a first gate electrode and a second gate electrode crossing the first and second active patterns, respectively; and
A first gate insulating pattern interposed between the first active pattern and the first gate electrode and a second gate insulating pattern interposed between the second active pattern and the second gate electrode,
The first gate insulating pattern includes a first dielectric pattern and a first ferroelectric pattern on the first dielectric pattern;
The second gate insulating pattern includes a second dielectric pattern,
The threshold voltage of the transistor on the first active region is different from the threshold voltage of the transistor on the second active region;
An upper portion of each of the first and second active patterns protrudes vertically above the isolation layer,
The first ferroelectric pattern is provided on an upper surface and both sidewalls of the upper portion of the first active pattern.
제1항에 있어서,
상기 제1 강유전체 패턴은, 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 알루미늄(Al) 및 란탄(La) 중 적어도 하나를 함유하는 하프늄 산화물을 포함하는 반도체 소자.
According to claim 1,
wherein the first ferroelectric pattern includes hafnium oxide containing at least one of zirconium (Zr), silicon (Si), aluminum (Al), and lanthanum (La).
제2항에 있어서,
상기 제1 강유전체 패턴 내에서 사방정계 결정 구조를 갖는 부분의 부피 비율은 10% 내지 50%인 반도체 소자.
According to claim 2,
The semiconductor device of claim 1 , wherein a volume ratio of a portion having an orthorhombic crystal structure in the first ferroelectric pattern is 10% to 50%.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 유전 패턴들은, 실리콘 산화막, 고유전율 막, 또는 실리콘 산화막과 고유전율 막이 순차적으로 적층된 다중막을 포함하는 반도체 소자.
According to claim 1,
The first and second dielectric patterns include a silicon oxide layer, a high dielectric constant layer, or a multilayer in which a silicon oxide layer and a high dielectric constant layer are sequentially stacked.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 게이트 전극들 각각은, 순차적으로 적층된 제1 일함수 금속 패턴, 제2 일함수 금속 패턴 및 전극 패턴을 포함하고,
상기 제1 일함수 금속 패턴은 금속 질화막을 포함하고,
상기 제2 일함수 금속 패턴은 알루미늄 또는 실리콘이 함유된 금속 카바이드를 포함하는 반도체 소자.
According to claim 1,
Each of the first and second gate electrodes includes a first work function metal pattern, a second work function metal pattern, and an electrode pattern sequentially stacked,
The first work function metal pattern includes a metal nitride layer,
The second work function metal pattern includes a metal carbide containing aluminum or silicon.
제5항에 있어서,
상기 제1 일함수 금속 패턴의 상면은 상기 전극 패턴의 상면보다 낮고,
상기 제2 일함수 금속 패턴은 상기 제1 일함수 금속 패턴의 상기 상면을 덮는 반도체 소자.
According to claim 5,
The upper surface of the first work function metal pattern is lower than the upper surface of the electrode pattern,
The second work function metal pattern covers the upper surface of the first work function metal pattern.
제1항에 있어서,
상기 제2 게이트 절연 패턴은 상기 제2 유전 패턴만으로 구성되는 반도체 소자.
According to claim 1,
The second gate insulating pattern includes only the second dielectric pattern.
제1항에 있어서,
상기 제2 게이트 절연 패턴은, 상기 제2 유전 패턴 상의 제2 강유전체 패턴을 더 포함하고,
상기 제1 강유전체 패턴의 강유전체 물질은 상기 제2 강유전체 패턴의 강유전체 물질과는 다른 반도체 소자.
According to claim 1,
The second gate insulating pattern further includes a second ferroelectric pattern on the second dielectric pattern,
The ferroelectric material of the first ferroelectric pattern is different from the ferroelectric material of the second ferroelectric pattern.
제1항에 있어서,
상기 제2 게이트 절연 패턴은, 상기 제2 유전 패턴 상의 제2 강유전체 패턴을 더 포함하고,
상기 제1 강유전체 패턴의 두께는 상기 제2 강유전체 패턴의 두께와 다른 반도체 소자.
According to claim 1,
The second gate insulating pattern further includes a second ferroelectric pattern on the second dielectric pattern,
A thickness of the first ferroelectric pattern is different from a thickness of the second ferroelectric pattern.
삭제delete 제1 활성 영역 및 제2 활성 영역을 포함하는 기판;
상기 제1 및 제2 활성 영역들 각각 상의 제1 활성 패턴 및 제2 활성 패턴;
상기 제1 및 제2 활성 패턴들을 각각 가로지르는 제1 게이트 전극 및 제2 게이트 전극; 및
상기 제1 활성 패턴과 상기 제1 게이트 전극 사이에 개재된 제1 게이트 절연 패턴 및 상기 제2 활성 패턴과 상기 제2 게이트 전극 사이에 개재된 제2 게이트 절연 패턴을 포함하되,
상기 제1 게이트 절연 패턴은, 제1 유전 패턴 및 상기 제1 유전 패턴 상의 제1 강유전체 패턴을 포함하고,
상기 제2 게이트 절연 패턴은, 제1 유전 패턴 및 상기 제1 유전 패턴 상의 제2 강유전체 패턴을 포함하며,
상기 제1 강유전체 패턴의 강유전체 물질 및 불순물 농도 중 적어도 하나는, 상기 제2 강유전체 패턴과 다른 반도체 소자.
a substrate including a first active region and a second active region;
a first active pattern and a second active pattern on each of the first and second active regions;
a first gate electrode and a second gate electrode crossing the first and second active patterns, respectively; and
A first gate insulating pattern interposed between the first active pattern and the first gate electrode and a second gate insulating pattern interposed between the second active pattern and the second gate electrode,
The first gate insulating pattern includes a first dielectric pattern and a first ferroelectric pattern on the first dielectric pattern;
The second gate insulating pattern includes a first dielectric pattern and a second ferroelectric pattern on the first dielectric pattern;
At least one of the ferroelectric material and the impurity concentration of the first ferroelectric pattern is different from that of the second ferroelectric pattern.
제11항에 있어서,
상기 제1 활성 영역 상의 트랜지스터의 문턱 전압은, 상기 제2 활성 영역 상의 트랜지스터의 문턱 전압과 다른 반도체 소자.
According to claim 11,
A threshold voltage of a transistor on the first active region is different from a threshold voltage of a transistor on the second active region.
제11항에 있어서,
상기 제1 및 제2 강유전체 패턴들은, 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 알루미늄(Al) 및 란탄(La) 중 적어도 하나가 도핑된 하프늄 산화물을 포함하는 반도체 소자.
According to claim 11,
The first and second ferroelectric patterns include hafnium oxide doped with at least one of zirconium (Zr), silicon (Si), aluminum (Al), and lanthanum (La).
제11항에 있어서,
상기 제1 게이트 절연 패턴은, 상기 제1 강유전체 패턴 상의 제3 강유전체 패턴을 더 포함하는 반도체 소자.
According to claim 11,
The first gate insulating pattern further includes a third ferroelectric pattern on the first ferroelectric pattern.
제11항에 있어서,
상기 제1 및 제2 활성 패턴들을 정의하는 트렌치를 채우는 소자 분리막을 더 포함하되,
상기 제1 및 제2 활성 패턴들 각각의 상부는 상기 소자 분리막 위로 수직하게 돌출되고,
상기 제1 강유전체 패턴은, 상기 제1 활성 패턴의 상기 상부의 상면 및 양 측벽들 상에 제공되고,
상기 제2 강유전체 패턴은, 상기 제2 활성 패턴의 상기 상부의 상면 및 양 측벽들 상에 제공되는 반도체 소자.
According to claim 11,
Further comprising a device isolation layer filling the trench defining the first and second active patterns,
An upper portion of each of the first and second active patterns protrudes vertically above the device isolation layer,
the first ferroelectric pattern is provided on an upper surface and both sidewalls of the upper portion of the first active pattern;
The second ferroelectric pattern is provided on an upper surface and both sidewalls of the upper portion of the second active pattern.
제1 활성 영역 및 제2 활성 영역을 포함하는 기판;
상기 제1 및 제2 활성 영역들 각각 상의 제1 활성 패턴 및 제2 활성 패턴;
상기 제1 및 제2 활성 패턴들을 각각 가로지르는 제1 게이트 전극 및 제2 게이트 전극;
상기 제1 및 제2 게이트 전극들 각각의 측벽 상의 게이트 스페이서;
상기 제1 게이트 전극과 상기 게이트 스페이서 사이에 개재된 제1 유전 패턴 및 제1 강유전체 패턴; 및
상기 제2 게이트 전극과 상기 게이트 스페이서 사이에 개재된 제2 유전 패턴을 포함하되,
상기 제1 게이트 전극은, 금속 질화막을 포함하는 일함수 금속 패턴, 및 전극 패턴을 포함하고,
상기 제1 강유전체 패턴은 상기 일함수 금속의 측벽과 상기 제1 유전 패턴 사이에 개재되는 반도체 소자.
a substrate including a first active region and a second active region;
a first active pattern and a second active pattern on each of the first and second active regions;
a first gate electrode and a second gate electrode crossing the first and second active patterns, respectively;
a gate spacer on a sidewall of each of the first and second gate electrodes;
a first dielectric pattern and a first ferroelectric pattern interposed between the first gate electrode and the gate spacer; and
A second dielectric pattern interposed between the second gate electrode and the gate spacer,
The first gate electrode includes a work function metal pattern including a metal nitride film and an electrode pattern,
The first ferroelectric pattern is interposed between a sidewall of the work function metal and the first dielectric pattern.
제16항에 있어서,
상기 제1 활성 영역 상의 트랜지스터의 문턱 전압은, 상기 제2 활성 영역 상의 트랜지스터의 문턱 전압과 다른 반도체 소자.
According to claim 16,
A threshold voltage of a transistor on the first active region is different from a threshold voltage of a transistor on the second active region.
제16항에 있어서,
상기 제2 유전 패턴의 일 측벽은 상기 게이트 스페이서와 직접 접촉하고,
상기 제2 유전 패턴의 반대 측벽은 상기 제2 게이트 전극과 직접 접촉하는 반도체 소자.
According to claim 16,
One sidewall of the second dielectric pattern directly contacts the gate spacer;
A sidewall opposite to the second dielectric pattern directly contacts the second gate electrode.
제16항에 있어서,
상기 제2 게이트 전극과 상기 게이트 스페이서 사이에 개재된 제2 강유전체 패턴을 더 포함하되,
상기 제1 강유전체 패턴의 강유전체 물질은 상기 제2 강유전체 패턴의 강유전체 물질과는 다른 반도체 소자.
According to claim 16,
Further comprising a second ferroelectric pattern interposed between the second gate electrode and the gate spacer,
The ferroelectric material of the first ferroelectric pattern is different from the ferroelectric material of the second ferroelectric pattern.
제16항에 있어서,
상기 제2 게이트 전극과 상기 게이트 스페이서 사이에 개재된 제2 강유전체 패턴을 더 포함하되,
상기 제1 강유전체 패턴의 두께는 상기 제2 강유전체 패턴의 두께와 다른 반도체 소자.
According to claim 16,
Further comprising a second ferroelectric pattern interposed between the second gate electrode and the gate spacer,
A thickness of the first ferroelectric pattern is different from a thickness of the second ferroelectric pattern.
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