KR20040084234A - Method of manufacturing a semiconductor device - Google Patents

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KR20040084234A
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김점수
안정렬
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Abstract

PURPOSE: A method for manufacturing a semiconductor device is provided to minimize the resistance of a word line and the overlap between a gate electrode and a source/drain by widening the width of the gate electrode. CONSTITUTION: A floating gate electrode(114) is formed on a semiconductor substrate(110). A dielectric film(116), the first conductive layer(118), the second conductive layer(120) and a hard mask layer are sequentially formed on the floating gate electrode. A hard mask pattern(122) is formed by patterning the hard mask layer. A spacer(130) is formed to widen the effective channel length at both sidewalls of the hard mask pattern. A stacked gate electrode is then formed by etching the second and first conductive layer, the dielectric film and the floating gate electrode using the hard mask pattern with the spacer as a mask.

Description

반도체 소자의 제조 방법{Method of manufacturing a semiconductor device}Method of manufacturing a semiconductor device

본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 충분한 게이트 마진을 확보할 수 있는 반도체 소자의 제조 방법을 제공한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and in particular, to a method for manufacturing a semiconductor device capable of securing a sufficient gate margin.

최근 디자인 룰(Design Rule)이 줄어들고, 셀 사이즈(Cell Size)가 줄어들고, 또한, 칩 사이즈(Chip Size)가 커지면서 낸드 플래시 셀(NAND Flash Cell)에서 게이트 랭스(Gate Length)를 줄이면서 워드라인(Word Line) 저항을 확보하기 위하여 많은 어려움을 겪고 있다. 게이트 길이가 줄어들면서 유효한 채널 길이(Effective channel length; Leff)가 같이 줄어들게 되어 유효한 채널 길이를 확보하는 문제와, 게이트 라인의 경우 시트(Sheet) 저항의 경우 변하지 않아야 하나 워드라인금속으로 텅스텐 실리사이드를 사용함으로 인해 서브(Sub) 100㎚에서 급격하게 워드라인 저항이 증가하는 문제가 발생한다.As the design rule is reduced, the cell size is reduced, and the chip size is increased, the gate length is reduced in the NAND flash cell. Word Line) There are many difficulties to secure resistance. As the gate length decreases, the effective channel length (Leff) is reduced together to secure the effective channel length, and in the case of the gate line, the sheet resistance should not be changed but tungsten silicide is used as the word line metal. This causes a problem in that the word line resistance rapidly increases at a sub 100 nm.

상술한 문제에 의해 낸드 플래시 메모리에서 제일 처음 데이터가 나오는 랜덤 억세스 타임의 스펙을 만족할 수 없게 되는 문제를 유발하게 된다. 또한, 노아 플래시의 경우 리드 마진이 부족하게 되는 가장 큰 이유가 되기도 한다. 이로인해 향후 낸드 플래시 셀의 축소와 칩의 성능에 많은 제약을 가지게 된다.The above problem causes a problem in that the specification of the random access time at which the first data comes out of the NAND flash memory cannot be satisfied. In addition, Noah flash is the biggest reason for the lack of lead margin. This places a lot of constraints on NAND flash cell shrinkage and chip performance.

또한, 유효한 채널 길이를 확보하기 위한 기술인 오프셋 스페이서의 경우도 유효한 채널 길이는 확보할 수 있지만, 워드라인 저항 측면에서는 재래적인 기술과 같은 특성을 가지고 있기 때문에 랜덤 억세스 타임 측면에서는 만족할 수 없어 설계적으로 다른 회로를 사용하여야 함으로써, 칩의 면적이 늘어나게 되는 문제가 발생하게 된다.In the case of the offset spacer, which is a technique for securing the effective channel length, the effective channel length can be secured. However, since it has the same characteristics as conventional techniques in terms of wordline resistance, it cannot be satisfied in terms of random access time. By using another circuit, a problem arises in that the area of the chip is increased.

따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 반도체 소자의 게이트 형성을 위한 하드 마스크막을 먼저 패터닝 한 다음 그 측벽에 스페이서를 형성하여후속 공정에 의해 패터닝될 게이트 전극의 폭을 넓힘으로써, 워드라인의 저항을 최소화할 수 있고, 게이트와 소스/드레인의 오버랩(Overlap)을 최소화할 수 있고, 유효 채널 길이를 확보할 수 있고, 생산성 증대의 효과와 균일한 플로팅 게이트 구현을 할 수 있는 반도체 소자의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, in order to solve the above problems, the present invention is to first pattern a hard mask layer for forming a gate of a semiconductor device, and then form spacers on the sidewalls thereof, thereby widening the width of the gate electrode to be patterned by a subsequent process. Fabrication of semiconductor devices capable of minimizing resistance, minimizing overlap of gate and source / drain, securing effective channel length, increasing productivity and realizing uniform floating gate The purpose is to provide a method.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.1A to 1D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

110 : 반도체 기판 112 : 터널 산화막110 semiconductor substrate 112 tunnel oxide film

114, 118, 120 : 도전막 116 : 유전체막114, 118, 120: conductive film 116: dielectric film

122 : 하드마스크막 130 : 스페이서122: hard mask film 130: spacer

본 발명에 따른 소자 분리막이 형성된 반도체 기판에 플로팅 게이트 전극을 형성하는 단계와, 전체 구조상에 유전체막, 제 1 도전막, 제 2 도전막 및 하드 마스크막을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 하드 마스크막을 패터닝 하는 단계와, 패터닝된 상기 하드 마스크막 측벽에 소자의 유효 채널 길이를 넓이기 위한 스페이서를 형성하는 단계 및 상기 스페이서가 형성된 상기 하드 마스크막을 식각마스크로 하는 식각공정을 통해 상기 제 2 도전막, 상기 제 1 도전막, 상기 유전체막 및 상기 플로팅 게이트 전극을 식각하여 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법을 제공한다.Forming a floating gate electrode on the semiconductor substrate having the device isolation film according to the present invention; sequentially forming a dielectric film, a first conductive film, a second conductive film, and a hard mask film on the entire structure; The second conductive layer through patterning, forming a spacer on the sidewall of the patterned hard mask layer to extend an effective channel length of the device, and etching the hard mask layer on which the spacer is formed as an etch mask; And etching the first conductive layer, the dielectric layer, and the floating gate electrode to form a gate electrode.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention in more detail. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various forms, and only the embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention, and to those skilled in the art to fully understand the scope of the invention. It is provided to inform you. Like numbers refer to like elements in the figures.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.1A to 1D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with the present invention.

도 1a를 참조하면, 셀 영역(A), 고전압 소자 영역(B) 및 저전압 소자 영역(B)이 정의된 반도체 기판(110)에 소자간의 분리를 위한 소자 분리막(미도시)을 형성하고, 이온 주입 공정을 실시하여 반도체 기판(110)에는 웰(미도시)을 형성한다.Referring to FIG. 1A, a device isolation layer (not shown) is formed on a semiconductor substrate 110 in which a cell region A, a high voltage device region B, and a low voltage device region B are defined. The implantation process is performed to form wells (not shown) in the semiconductor substrate 110.

반도체 기판(110)상에 터널 산화막(112)과 제 1 도전막(114)을 증착한 다음 터널 산화막(112)과 제 1 도전막(114)을 패터닝 하여 플로팅 게이트 전극을 형성한다. 플로팅 게이트 전극이 형성된 전체 구조상에 유전체막(116), 제 2 도전막(118), 제 3 도전막(120) 및 하드 마스크막(122)을 순차적으로 형성한다.After the tunnel oxide film 112 and the first conductive film 114 are deposited on the semiconductor substrate 110, the tunnel oxide film 112 and the first conductive film 114 are patterned to form a floating gate electrode. The dielectric film 116, the second conductive film 118, the third conductive film 120, and the hard mask film 122 are sequentially formed on the entire structure where the floating gate electrode is formed.

구체적으로, 반도체 기판(110) 상에 패드 산화막(미도시)과 패드 질화막(미도시)을 순차적으로 형성한다. 전체 구조 상부에 감광막(Photoresist)을 증착한 후 감광막 마스크를 이용한 사진 식각공정을 실시하여 감광막 패턴(미도시)을 형성한다. 상기 감광막 패턴과 패드 질화막을 식각 마스크로 이용한 STI(Sallow Trench Isolation) 식각공정을 실시하여 트렌치(미도시)를 형성하고 이를 절연막을 이용하여 매립함으로서 소자 분리막을 형성하게 된다. 이로써, 반도체 기판(110)은 소자 분리막에 의해 활성영역과 비활성영역(즉, 소자 분리막 영역)으로 분리된다.Specifically, a pad oxide film (not shown) and a pad nitride film (not shown) are sequentially formed on the semiconductor substrate 110. After the photoresist is deposited on the entire structure, a photolithography process using a photoresist mask is performed to form a photoresist pattern (not shown). A trench (not shown) is formed by performing a STI (Sallow Trench Isolation) etching process using the photoresist pattern and the pad nitride layer as an etching mask, and a device isolation layer is formed by filling the trench using an insulating layer. As a result, the semiconductor substrate 110 is separated into an active region and an inactive region (ie, an isolation region) by the isolation layer.

본 실시예에서는 셀의 누설 전류 마진을 확보하기 위하여 2000 내지 3000Å 의 깊이로 반도체 기판(110)을 식각하여 트렌치(미도시)를 형성한다. 상기 트렌치형성을 위한 식각의 데미지(Damage)를 보상하기 위한 산화공정을 실시하여 750 내지 1000℃ 사이의 온도로 습식 또는 건식산화 공정을 실시한다. 트렌치가 형성된 전체 구조상에 HDP(High Density Plasma) 산화막을 3000 내지 7000Å 두께로 트렌치 내부에 보이드(Void)가 형성되지 않도록 증착한다. 패드 질화막 상에 형성된 HDP 산화막을 제거한 다음, 잔류하는 패드 질화막과 패드 산화막을 식각함으로써, 반도체 기판 상부로 돌출된 형태의 소자 분리막을 형성할 수 있다. 패드 질화막 상에 형성된 HDP 산화막을 CMP공정을 진행하여 제거한다. 이에 한정되지 않고, 다양한 형태의 공정을 통해 소자 분리막을 형성할 수 있다. 예컨대, 상술한 패드 산화막 및 패드 질화막을 증착하지 않고 감광막 패턴만을 이용하여 소자 분리막을 형성할 수 있다.In the present exemplary embodiment, a trench (not shown) is formed by etching the semiconductor substrate 110 to a depth of 2000 to 3000 mA to ensure a leakage current margin of the cell. An oxidation process is performed to compensate for the damage of the etching for forming the trench, and a wet or dry oxidation process is performed at a temperature between 750 and 1000 ° C. An HDP (High Density Plasma) oxide film is deposited on the entire structure where the trench is formed so that voids are not formed in the trench at a thickness of 3000 to 7000 Å. After removing the HDP oxide film formed on the pad nitride film, the remaining pad nitride film and the pad oxide film are etched to form a device isolation film protruding over the semiconductor substrate. The HDP oxide film formed on the pad nitride film is removed by a CMP process. The present invention is not limited thereto, and the device isolation layer may be formed through various types of processes. For example, the device isolation film may be formed using only the photosensitive film pattern without depositing the above-described pad oxide film and pad nitride film.

이때, 상기 패드 산화막을 완전히 식각하지 않고, 일부를 잔류시켜 후속 웰 형성을 위한 이온주입시 버퍼층 역활을 하는 스크린 산화막으로 사용할 수 있다. 반도체 소자가 형성될 영역을 개방시키는 이온 주입 마스크(미도시)를 형성한 후 이온 주입 공정을 통해 반도체 기판(110)의 노출된 영역에 웰을 형성할 수 있다. 이때, PMOS 트랜지스터와 NMOS 트랜지스터를 형성하기 위해서는 n웰과 p웰을 각각 형성해야 하기 때문에 2번의 이온 주입 마스크 형성 공정과 2번의 이온 주입 공정을 통해 n웰과 p웰을 각각 형성한다.In this case, the pad oxide layer may be used as a screen oxide layer to serve as a buffer layer when implanting ions for subsequent well formation by remaining a portion thereof without etching the pad oxide layer completely. After forming an ion implantation mask (not shown) that opens the region where the semiconductor device is to be formed, the well may be formed in the exposed region of the semiconductor substrate 110 through an ion implantation process. In this case, in order to form the PMOS transistor and the NMOS transistor, n wells and p wells must be formed, respectively, so that n wells and p wells are formed through two ion implantation mask formation processes and two ion implantation processes, respectively.

상술한 이온 주입공정의 조건들은 이에 한정되지 않고, 반도체 기판(110) 표면에 정션이 형성되어 다른 누설 전류의 원인이 되지 않고, 웰과 정션간의 누설이 발생하지 않을 정도의 조건으로 이온주입을 실시한다. 또한, 감광막패턴을 형성하여 일정 영역에만 이온주입을 할 수 있다.The above-described conditions of the ion implantation process are not limited thereto, and the ion implantation is performed under such a condition that a junction is formed on the surface of the semiconductor substrate 110 so as not to cause other leakage currents and leakage between the well and the junction does not occur. do. In addition, the photoresist pattern may be formed to implant ions only in a predetermined region.

이에 한정되지 않고, 반도체 기판(110) 상에 기판 표면의 결정결함 억제 또는 표면처리 및 이온주입시 버퍼층 역활을 하는 스크린 산화막(미도시)을 증착한 다음 이온주입을 실시할 수 있다.The present invention is not limited thereto, and a screen oxide film (not shown) may be deposited on the semiconductor substrate 110 to serve as a buffer layer for suppressing crystal defects or surface treatment and implanting ions, followed by ion implantation.

또한, 문턱 전압 조절을 위한 이온주입 공정을 다양한 공정 방법과 기술을 이용하여 실시할 수 있다.In addition, the ion implantation process for adjusting the threshold voltage may be performed using various process methods and techniques.

또한, 웰 또는 문턱전압 조절을 위한 이온주입을 먼저 실시한 다음 소자 분리막을 형성할 수 있다.In addition, ion implantation for well or threshold voltage adjustment may be performed first, and then a device isolation layer may be formed.

소자 분리막이 형성된 전체 구조상에 터널 산화막(112)을 형성하고, 제 1 도전막(114)으로 폴리 실리콘막을 형성한다. 제 1 도전막(114)을 후속 게이트 식각시 잔류물 제거를 위해 1000 내지 1500Å 두께로 증착한다.A tunnel oxide film 112 is formed on the entire structure in which the device isolation film is formed, and a polysilicon film is formed using the first conductive film 114. The first conductive layer 114 is deposited to a thickness of 1000-1500 Å to remove residues during subsequent gate etching.

상기 HDP 산화막을 정지막으로 하는 평탄화 공정을 실시하여 플로팅 게이트 전극간이 고립되도록 한다.A planarization process using the HDP oxide film as a stop film is performed to isolate the floating gate electrodes.

이에 한정되지 않고, 플로팅 게이트 전극용 마스크를 이용한 패터닝 공정을 통해 터널 산화막(112)과 제 1 도전막(114)을 패터닝 하여 플로팅 게이트전극을 형성할 수 있다.The floating gate electrode may be formed by patterning the tunnel oxide layer 112 and the first conductive layer 114 through a patterning process using the mask for the floating gate electrode.

플로팅 게이트 전극이 형성된 반도체 기판(110)상에 산화막/ 질화막/ 산화막(Oxide/ Nitride/ Oxide; ONO) 구조의 유전체막(116)을 형성한다. 이에 한정되지 않고, 반도체 소자의 제조에 사용되는 다양한 형태의 유전체막(116)을 사용할 수 있다. 예를 들어, ONON 구조의 유전체막을 사용할 수 있다. 유전체막(116)상에제 2 도전막(118), 제 3 도전막(120) 및 하드 마스크막(122)을 순차적으로 형성한다.A dielectric film 116 having an oxide / nitride / oxide (ONO) structure is formed on the semiconductor substrate 110 on which the floating gate electrode is formed. The present invention is not limited thereto, and various types of dielectric films 116 used in the manufacture of semiconductor devices may be used. For example, an ONON structure dielectric film can be used. The second conductive film 118, the third conductive film 120, and the hard mask film 122 are sequentially formed on the dielectric film 116.

제 2 도전막(118)으로 폴리 실리콘을 이용하여 형성하되, 제 2 도전막(118) 상의 제 3 도전막(120)의 갈라짐(Seam)현상을 방지하기 위해 1000 내지 2000Å 두께로 형성한다. 제 3 도전막(120)으로는 텅스텐 실리사이드막을 이용한다. 이에 한정되지 않고, 제 2 도전막(118)과 제 3 도전막(120)간의 접착력을 향상하기 위해 제 2 도전막(118)으로 도핑된 폴리 실리콘막과 도핑 되지않는 폴리 실리콘막의 2중 구조로 형성한다. 도핑된 폴리 실리콘막은 500 내지 1800Å 두께로 형성하고, 도핑되지 않는 폴리 실리콘막을 100 내지 500Å 두께로 형성한다. 하드 마스크막(122)으로 질화막 계열의 물질막 및 산화막 계열의 물질막중 적어도 어느 하나를 이용하여 형성한다. 하드 마스크막(122)을 CVD 방식으로 700 내지 2500Å 두께로 형성한다.The second conductive film 118 is formed using polysilicon, but is formed to have a thickness of 1000 to 2000 Å to prevent cracking of the third conductive film 120 on the second conductive film 118. A tungsten silicide film is used as the third conductive film 120. The present invention is not limited thereto, and a double structure of a polysilicon film doped with the second conductive film 118 and an undoped polysilicon film may be used to improve adhesion between the second conductive film 118 and the third conductive film 120. Form. The doped polysilicon film is formed to a thickness of 500 to 1800 GPa, and the undoped polysilicon film is formed to a thickness of 100 to 500 GPa. The hard mask layer 122 is formed using at least one of a nitride layer-based material layer and an oxide layer-based material layer. The hard mask film 122 is formed to a thickness of 700 to 2500Å by CVD.

상기에서 설명한 막들은 반도체 소자의 제조에 사용되는 다양한 형태의 증착 방법을 이용하여 형성을 할 수 있다. 또한, 하드 마스크막(122) 상에 게이트 마스크의 산란과 셀프 얼라인 에치(Self-Aligne Etch; SAE)의 배리어막 역할을 할 수 있는 반사 방지막을 아크옥시나이트라이드(AcrOxyNitride)로 형성할 수 있다.The films described above may be formed using various types of deposition methods used in the manufacture of semiconductor devices. In addition, an anti-reflection film may be formed on the hard mask layer 122 using an arcoxynitride, which may serve as a barrier layer for scattering of the gate mask and a self-aligned etch (SAE). .

도 1b 및 도 1c를 참조하면, 컨트롤 게이트용 마스크를 이용한 패터닝 공정을 통해 하드 마스크막(122)을 패터닝한다. 패터닝된 하드마스크막(122) 측벽에 유효한 채널 길이 마진과 워드라인 저항 마진을 확보하기 위한 스페이서(130)를 형성한다.1B and 1C, the hard mask layer 122 is patterned through a patterning process using a mask for a control gate. A spacer 130 is formed on the sidewall of the patterned hard mask layer 122 to secure an effective channel length margin and a word line resistance margin.

구체적으로, 하드 마스크막(122)상에 감광막을 도포한 다음, 컨트롤 게이트용 마스크를 이용한 사진 식각공정을 실시하여 감광막 패턴(미도시)을 형성한다. 상기 감광막 패턴을 식각마스크로 하는 식각공정을 실시하여 하드 마스크막(122)을 식각한다. 이때 패터닝된 하드 마스크막(122)은 종래에 목표로 하는 컨트롤 게이트 패턴처럼 형성된다.Specifically, a photoresist film is coated on the hard mask film 122, and then a photolithography process using a mask for a control gate is performed to form a photoresist pattern (not shown). The hard mask film 122 is etched by performing an etching process using the photoresist pattern as an etching mask. At this time, the patterned hard mask layer 122 is formed like a target control gate pattern.

패터닝된 하드 마스크막(122)이 형성된 반도체 기판(110) 상에 스페이서용 제 1 절연막(미도시)을 형성한다. 하드 마스크막(122) 측벽의 상기 스페이서용 제 1 절연막을 제외한 영역의 스페이서용 제 1 절연막을 식각하여, 하드 마스크막(122) 측벽에 스페이서를 형성한다. 상기 스페이서용 제 1 절연막으로는 질화막 계열의 물질막 및 산화막 계열의 물질막중 적어도 어느 하나를 이용하여 형성한다. 예를 들어, 스페이서용 제 1 절연막으로 LP-TEOS를 50 내지 250Å 두께로 형성한다. 또한, 다양한 방법과 기술을 이용하여 하드 마스크막(122) 측벽에 스페이서(130)를 형성할 수 있지만, 본 실시에에서는 절연막을 증착한 다음 전면 식각을 실시하여 스페이서(130)를 형성함으로써, 후속공정에 의해 형성되는 워드라인 저항을 줄일 수 있고, 게이트, 소스/드레인의 오버렙을 줄일 수 있고, 유효한 채널 길이를 확보할 수 있으며, 셀의 크기를 줄일 수 있다. 또한, 후속 공정의 제 3 도전막(120)의 식각시에 상기 스페이서용 제 1 절연막을 식각하여 하드 마스크막(122) 측벽에 스페이서(130)를 형성함과 동시에 제 3 도전막(120)을 패터닝 할 수 있다.A first insulating layer (not shown) for a spacer is formed on the semiconductor substrate 110 on which the patterned hard mask layer 122 is formed. A spacer is formed on the sidewall of the hard mask film 122 by etching the first insulating film for the spacer in a region other than the first insulating film for the spacer on the sidewall of the hard mask film 122. The spacers may be formed using at least one of a nitride film-based material film and an oxide film-based material film. For example, LP-TEOS is formed to a thickness of 50 to 250 kHz with the first insulating film for spacers. In addition, although the spacers 130 may be formed on the sidewalls of the hard mask film 122 using various methods and techniques, in this embodiment, the spacers 130 are formed by depositing an insulating film and then performing an entire surface etching. The word line resistance formed by the process can be reduced, the overlap of gate and source / drain can be reduced, the effective channel length can be secured, and the cell size can be reduced. In addition, when the third conductive layer 120 is etched in a subsequent process, the first insulating layer for the spacer is etched to form the spacer 130 on the sidewall of the hard mask layer 122, and at the same time, the third conductive layer 120 is formed. Can be patterned

도 1d를 참조하면, 측벽에 스페이서(130)가 형성된 하드 마스크막(122) 패턴을 식각마스크로 하는 식각공정을 실시하여 게이트 전극을 형성한다. 구체적으로, 제 3 도전막(120), 제 2 도전막(118), 유전체막(116)과 플로팅 게이트 전극(제 1 도전막(114), 터널 산화막(112))을 순차적으로 식각하여 컨트롤 게이트와 플로팅 게이트 전극이 적층된 형태의 게이트 전극을 형성한다. 이를 통하여 종래의 유효 채널 길이(도 1d의 T1)보다 더 넓은 유효 채널 길이(도 1d의 T2)를 갖는 게이트 전극을 형성할 수 있다. 하드 마스크막(122) 측벽의 스페이서(130)의 두께르 조절하여 유효 채널 길이의 조절이 가능하고, 워드라인 저항 마진을 확보할 수 있게 된다.Referring to FIG. 1D, a gate electrode is formed by performing an etching process using the hard mask layer 122 having the spacers 130 formed on the sidewalls as an etching mask. Specifically, the third conductive film 120, the second conductive film 118, the dielectric film 116, and the floating gate electrode (the first conductive film 114 and the tunnel oxide film 112) are sequentially etched to control the gate. And a floating gate electrode are stacked to form a gate electrode. As a result, a gate electrode having an effective channel length (T2 in FIG. 1D) that is wider than the conventional effective channel length (T1 in FIG. 1D) may be formed. By controlling the thickness of the spacer 130 on the sidewall of the hard mask layer 122, the effective channel length can be adjusted, and a word line resistance margin can be secured.

ONO 구조의 유전체막(116)을 제 1 식각정지막으로 하고, 상기 측벽에 스페이서(130)가 형성된 하드 마스크막(122) 패턴을 식각마스크로 하는 식각공정을 통해 제 3 도전막(120)과 제 2 도전막(118)을 식각한다. ONO 구조의 유전체막(116), 제 1 도전막(114) 및 터널 산화막(112)을 순차적으로 식각한다. 식각방법과 순서는 반도체 소자의 제조에 사용되는 방법과 순서를 이용하여 다양하게 수행될 수 있다.The third conductive layer 120 is formed by an etching process using the dielectric layer 116 having the ONO structure as the first etch stop layer and using the hard mask layer 122 having the spacer 130 formed on the sidewall as an etch mask. The second conductive film 118 is etched. The dielectric film 116, the first conductive film 114, and the tunnel oxide film 112 having the ONO structure are sequentially etched. The etching method and order may be variously performed using the method and order used to manufacture the semiconductor device.

상기의 제 2 및 제 3 도전막(118 및 120) 식각시, 제 3 도전막(120)으로 사용하는 텅스텐 실리사이드막의 손상이 발생할 수 있으므로, 소스/드레인 공간의 비율을 잘 조절하는 것이 필요하다. 즉, 제 3 도전막(120)의 손상을 방지하기 위해 게이트 전극 식각시 Hbr 및 O2를 사용하여 진행한다. 제 3 도전막(120)의 손상은 소자의 읽기 동작의 속도에 관련된 IR 드롭(전류와 저항으로 인한 전압강하 현상)과 밀접한 관련이 있다. 유전체막(116)과 제 1 도전막(114) 식각시, 유전체막(116)을제 1 도전막(114) 식각의 B/T 스텝(Break Through Step)으로 진행할 경우, 방향성 식각에 주의해야 한다, 또한, 제 1 도전막(114) 식각시 모우트 지역에 제 1 도전막(114)이 잔류되는 현상을 방지하여야 한다.When the second and third conductive layers 118 and 120 are etched, damage to the tungsten silicide layer used as the third conductive layer 120 may occur, so it is necessary to control the ratio of the source / drain space well. That is, in order to prevent damage to the third conductive layer 120, the gate electrode is etched using Hbr and O 2 . The damage of the third conductive film 120 is closely related to the IR drop (voltage drop due to current and resistance) related to the speed of the read operation of the device. When etching the dielectric film 116 and the first conductive film 114, when the dielectric film 116 proceeds to the B / T step (Break Through Step) of the first conductive film 114, care should be taken in directional etching. In addition, when the first conductive layer 114 is etched, the phenomenon in which the first conductive layer 114 remains in the moat region should be prevented.

상술한 게이트 전극 형성을 위한 식각시 발생하는 손상을 보상하고, 플래시 소자의 중요 특성인 보유 특성을 확보하기 위해 산화공정을 실시할 수 있다. 또한, 산화 공정 대신 노 또는, 급속열처리 장비에 의한 열처리 공정을 실시하여 식각에 의한 손상을 보상할 수 있다.The oxidation process may be performed to compensate for the damage occurring during the etching for forming the gate electrode and to secure the retention characteristic, which is an important characteristic of the flash device. In addition, it is possible to compensate for the damage due to etching by performing a heat treatment process using a furnace or rapid heat treatment equipment instead of the oxidation process.

상술한 방법에 의해 셀 영역(A)에는 플래시 메모리 셀용 게이트 전극이 형성되고, 고전압 소자 영역(B) 및 저전압 소자 영역(C)에는 고전압 소자 및 저전압 소자용 게이트 전극이 형성된다. 이에 한정되지 않고, 상술한 방법에 의해 셀 영역(A), 고전압 소자 영역(B) 및 저전압 소자 영역에 동시에 게이트 전극을 형성할 수도 있고, 각영역에 서로 다른 게이트 산화막(터널 산화막)을 형성한 다음 동일한 공정을 진행하여 게이트 전극을 형성할 수도 있다. 또한, 각기 서로 다른 공정을 통해 각 영역별로 게이트 전극을 형성할 수 있다.By the above-described method, gate electrodes for flash memory cells are formed in the cell region A, and gate electrodes for high voltage elements and low voltage elements are formed in the high voltage element region B and the low voltage element region C. FIG. The present invention is not limited thereto, and gate electrodes can be formed simultaneously in the cell region A, the high voltage element region B, and the low voltage element region, and different gate oxide films (tunnel oxide films) are formed in the respective regions. Next, the same process may be performed to form a gate electrode. In addition, gate electrodes may be formed in respective regions through different processes.

다음으로 후속공정을 통해 셀 영역(A)에 셀 정션(미도시) 형성하기 위해 이온주입 공정을 실시한다. 고전압 소자영역(B) 및 저전압 소자영역(C)의 게이트 전극 측벽에 게이트 스페이서(미도시)를 형성한 다음 이온 주입을 통해 고전압 소자 및 저전압 소자용 정션(미도시)을 형성한다.Next, an ion implantation process is performed to form a cell junction (not shown) in the cell region A through a subsequent process. A gate spacer (not shown) is formed on sidewalls of the gate electrodes of the high voltage device region B and the low voltage device region C, and then a junction (not shown) for the high voltage device and the low voltage device is formed through ion implantation.

구체적으로, 3족 또는 5족의 원소를 이용한 이온주입을 실시하여 셀 게이트 전극 양측의 반도체 기판에 셀 정션을 형성한다. 본 실시예에서는 셀 정션 형성을위해 비소(As)를 2E14 내지 2E15만큼의 도즈량으로 이온주입을 실시한다. 또한, 이온주입 에너지로는 5KeV 내지 40KeV를 사용한다. 셀 정션을 위한 이온주입시 드레인 디스터번스(Disturbance) 및 펀지 쓰루(Punch Through) 현상을 최소화 되도록 한다. 고전압 소자 영역(B) 및 저전압 소자 영역(C)에 스페이서용 제 2 절연막을 증착한 다음 전면 식각공정을 실시하여 고전압 소자 및 저전압 소자용 게이트 전극 측벽에 게이트 스페이서를 형성한다. 3족 또는 5족의 원소를 이용한 이온주입을 실시하여 고전압 소자 및 저전압 소자용 게이트 전극 양측의 반도체 기판에 고전압 소자 및 저전압 소자용 정션을 형성한다. 스페이서용 제 2 절연막으로는 질화막 계열의 물질막 및 산화막 계열의 물질막중 적어도 어느 하나를 이용하여 형성한다. 즉, 스페이서용 제 2 절연막으로, 50 내지 300Å 두께의 고온 산화막(High Temperature Oxide; HTO)과 400 내지 1000Å 두께의 질화막을 이용하여 형성하거나, 400 내지 1500Å 두께의 질화막을 이용하여 형성할 수 있다.Specifically, cell junctions are formed on the semiconductor substrates on both sides of the cell gate electrode by performing ion implantation using elements of Group 3 or Group 5 elements. In this embodiment, arsenic (As) is implanted at a dose of 2E14 to 2E15 to form a cell junction. In addition, 5KeV-40KeV is used as ion implantation energy. To minimize the drain disturbance (punch through) phenomenon and drain through the ion implantation for the cell junction. A second insulating layer for the spacer is deposited on the high voltage device region B and the low voltage device region C, and then a front surface etching process is performed to form gate spacers on sidewalls of the gate electrodes for the high voltage device and the low voltage device. Ion implantation using elements of Group 3 or Group 5 is performed to form junctions for the high voltage element and the low voltage element on the semiconductor substrates on both sides of the gate electrode for the high voltage element and the low voltage element. The second insulating film for the spacer is formed using at least one of a nitride film-based material film and an oxide film-based material film. That is, the second insulating film for the spacer may be formed using a high temperature oxide film (HTO) having a thickness of 50 to 300 kPa and a nitride film having a thickness of 400 to 1000 kPa, or a nitride film having a thickness of 400 to 1500 kPa.

이에 한정되지 않고 다양한 형태의 공정 기술과 공정 단계를 거쳐서 게이트 전극 측벽에 다양한 형태의 게이트 스페이서를 형성하고 정션을 형성할 수 있다. 예를 들어, 정션영역으로는 LDD, DDD와 같은 형상으로 형성할 수 있다.The present invention is not limited thereto, and various types of gate spacers may be formed on the sidewalls of the gate electrodes through various types of process technologies and process steps, and junctions may be formed. For example, the junction region may be formed in a shape such as LDD and DDD.

전체 구조상에 셀프 얼라인 콘택공정을 위한 제 3 절연막(미도시)과 하부 소자와 상부 금속배선간의 층간 절연을 위한 제 4 절연막(미도시)을 형성한다.A third insulating film (not shown) for a self-aligned contact process and a fourth insulating film (not shown) for interlayer insulation between the lower element and the upper metal wiring are formed on the entire structure.

구체적으로, 제 3 절연막은 후속 공정에 의해 형성될 콘택과 게이트의 마진과, 콘택과 활성영역의 마진을 위해 100 내지 300Å 두께의 질화막을 전체 구조의 단차를 따라 형성한다. 제 4 절연막을 프리 메탈 다이일렉트릭 층(Pre MetalDielectric layer; P.MD)으로 사용하되, PBSG(Boron Phosphorus Silicate Glass), PSG(Phosphorus Silicate Glass) 및 HDP(High Density Plasma) 중 적어도 어느 하나를 이용하여 형성한다.Specifically, in the third insulating film, a nitride film having a thickness of 100 to 300 Å is formed along the level of the entire structure for the margin of the contact and the gate to be formed by the subsequent process and the margin of the contact and the active region. The fourth insulating layer is used as a pre metal dielectric layer (P.MD), and at least one of boron phosphorus silicate glass (PBSG), phosphorus silicate glass (PSG), and high density plasma (HDP) is used. Form.

제 4 절연막의 평탄화 및 정션을 활성화하기 위하여 급속열처리 장비를 이용하여 고온에서 어닐 공정을 실시한 다음, 플러그용 콘택홀 형성을 위해 화학 기계적 연마를 이용한 평탄화 공정을 실시한다. 어닐 공정은 950℃ 이상의 온도에서 실시한다.In order to activate the planarization and junction of the fourth insulating film, an annealing process is performed at high temperature using a rapid heat treatment equipment, and then a planarization process using chemical mechanical polishing is performed to form contact holes for plugs. The annealing step is carried out at a temperature of 950 ° C or higher.

제 3 및 제 4 절연막을 패터닝 하에 플러그용 콘택홀(미도시)을 형성한다. 상기 콘택홀을 도전성 물질로 매립하여 플러그를 형성한다. 플러그 상에 비트라인을 형성하여 플래시 메모리 셀을 형성한다.Plug contact holes (not shown) are formed under the patterning of the third and fourth insulating films. The contact hole is filled with a conductive material to form a plug. Bit lines are formed on the plugs to form flash memory cells.

구체적으로, 평탄화된 제 4 절연막 상에 감광막을 도포한 다음, 콘택홀용 마스크를 이용한 사진 식각공정을 실시하여 접합부를 노출시키기 위한 감광막 패턴을 형성한다. 상기 감광막 패턴을 식각마스크로 하는 식각공정을 실시하여 제 4 및 제 3 절연막을 제거하여 플러그용 콘택홀을 형성한다. 이에 한정되지 않고, 접합부 뿐만 아니라 게이트 콘택 영역도 함께 식각할 수 있다. 플러그용 콘택홀 형성을 위한 식각공정은, 질화막과 산화막간에 식각 선택비가 없는 식각단계와, 질화막과 산화막간의 식각 선택비가 있는 식각단계와, 제 4 절연막 식각시 발생한 부산물을 제거하는 식각단계와, 제 3 절연막을 제거하는 식각단계를 포함하여 실시한다.Specifically, after the photoresist is coated on the planarized fourth insulating film, a photolithography process is performed using a contact hole mask to form a photoresist pattern for exposing the junction part. An etching process using the photoresist pattern as an etching mask is performed to remove the fourth and third insulating layers to form contact holes for plugs. The present invention is not limited thereto, and not only the junction but also the gate contact region may be etched together. The etching process for forming a contact hole for a plug includes an etching step having no etch selectivity between the nitride film and an oxide film, an etching step having an etch selectivity between the nitride film and the oxide film, an etching step for removing by-products generated during etching of the fourth insulating film, and 3 etching is performed to remove the insulating film.

상기의 식각공정의 손상을 보상하기 위하여 플러그 이온주입을 진행하고, 플러그용 콘택홀의 형상을 변경하지 않고 활성화할 수 있는 범위 내에서 어닐 공정을실시한다. 즉, 식각공정시 발생한 반도체 기판에 대한 손상을 방지하기 위하여 활성화가 좋은 Ph을 이용하여 플러그 이온주입을 실시한다. 상기의 콘택홀 형성후 어닐 공정은 800 내지 900℃의 급속 어닐을 이용하여 플러그 이온주입의 활성화 및 콘택 식각의 변경(PBSG Re-Flow)을 막하 후속 공정의 배리어 메탈 증착력을 향상시키고, 콘택홀을 매립할 경우 보이 발생을 억제한다. 급속 어닐 대신 650 내지 900℃의 튜브를 이용하여 실시할 수 있다.In order to compensate for the damage of the etching process, plug ion implantation is performed, and an annealing process is performed within a range capable of activating without changing the shape of the plug contact hole. That is, in order to prevent damage to the semiconductor substrate generated during the etching process, the plug ion implantation is performed using Ph which is well activated. After the formation of the contact hole, the annealing process uses a rapid annealing at 800 to 900 ° C. to prevent activation of the plug ion implantation and change of contact etching (PBSG Re-Flow), thereby improving barrier metal deposition power in a subsequent process, and preventing contact hole deposition. When buried, suppress the occurrence of visible. Instead of rapid annealing can be carried out using a tube of 650 to 900 ℃.

전체 구조상에 단차를 따라 배리어 제 1 금속막(미도시)과 제 2 금속막(미도시)을 증착하여 플러그용 콘택홀을 매립한 다음, 에치백 및 CMP 공정을 실시하여 제 4 절연막 상의 배리어 제 1 금속막과 제 2 금속막을 제거하여 금속 플러그를 형성한다. 배리어 제 1 금속막은 증착시 콘택과의 접착력을 향상하기 위해 CVD 또는 PVD의 50 내지 300Å 두께의 Ti 및 200 내지 800Å 두께의 TiN을 사용하여 형성한다. Ti 와 TiN을 동시에 사용할 수 있고, 각각 사용할 수 있다.A barrier first metal film (not shown) and a second metal film (not shown) are deposited along the entire structure to fill a plug contact hole, and then an etch back and a CMP process are performed to form a barrier agent on the fourth insulating film. The first metal film and the second metal film are removed to form a metal plug. The barrier first metal film is formed using 50 to 300 microns thick Ti and 200 to 800 microns thick TiN of CVD or PVD to improve adhesion to contacts during deposition. Ti and TiN can be used at the same time, respectively.

플러그가 형성된 반도체 기판 상에 제 3 금속막(미도시)을 증착한 다음, 제 3 금속막을 패터닝 하여 비트라인을 형성한다. 이에 한정되지 않고, 전체 구조상에 제 5 절연막(미도시)을 증착한 다음, 제 5 절연막을 패터닝 하여 비트라인용 트렌치를 형성하고, 이를 금속물질로 매립함으로써, 비트라인을 형성할 수 있다. 배리어 제 1 금속막, 제 2 금속막 및 제 3 금속막은 다양한 종류의 도전성 금속막으로 형성할 수 있지만, 본 실시예에서는 텅스텐(W), 알루미늄(Al) 및 구리(Cu) 중 적어도 어느 하나를 이용하여 형성한다. 또한, 낸드 플래시 인 경우는 게이트 사이의 영역에 콘택이 형성되지 않고, 콘택은 넓은 공간을 유지하는 외각영역에 형성된다.또한, 고전압 소자 영역과 저전압 소자 영역에는 게이트 콘택 형성시 플로팅 게이트에 콘택을 형성하여 폴리 게이트를 형성할 수 있다.After depositing a third metal film (not shown) on the semiconductor substrate on which the plug is formed, the third metal film is patterned to form a bit line. The present invention is not limited thereto, and a bit line trench may be formed by depositing a fifth insulating film (not shown) on the entire structure, and then patterning the fifth insulating film to form a bit line trench and filling the trench with a metal material. The barrier first metal film, the second metal film, and the third metal film may be formed of various kinds of conductive metal films, but in this embodiment, at least one of tungsten (W), aluminum (Al), and copper (Cu) may be formed. To form. Also, in the case of NAND flash, no contact is formed in the region between the gates, and the contact is formed in the outer region maintaining a large space. In addition, the contact is made to the floating gate when the gate contact is formed in the high voltage element region and the low voltage element region. Can be formed to form a poly gate.

상술한 바와 같이, 본 발명은 반도체 소자의 게이트 형성을 위한 하드 마스크막을 먼저 패터닝 한 다음 그 측벽에 스페이서를 형성하여 후속 공정에 의해 패터닝될 게이트 전극의 폭을 넓힘으로써, 워드라인의 저항을 최소화할 수 있으며, 이로 인해 낸드 플래시의 경우 랜덤 엑세스 속도와 마진을 확보할 수 있고, 노어 플래시의 경우 리드 속고의 충분한 마진을 확보할 수 있다.As described above, the present invention can minimize the resistance of the word line by widening the width of the gate electrode to be patterned by a subsequent process by first patterning a hard mask film for forming the gate of the semiconductor device and then forming a spacer on the sidewall thereof. As a result, random access speeds and margins can be secured in the case of NAND flash, and sufficient margin of lead speed can be secured in the case of NOR flash.

또한, 게이트와 소스/드레인의 오버랩(Overlap)을 최소화함으로써, 유효한 채널 길이를 확보할 수 있고, 셀의 크기를 줄일 수 있으며, 넷다이(Net Die) 증가로 생산성을 증대할 수 있으며, 웨이퍼 전반에 걸쳐 균일한 플로팅 게이트를 구현할 수 있다.In addition, by minimizing overlap between gate and source / drain, effective channel length can be secured, cell size can be reduced, productivity can be increased by increasing net die, and overall wafer A uniform floating gate can be implemented over.

또한, 유효 채널 길이 조절을 할 수 있어, 차세대의 고집적 플래시 소자의 셀 구현 및 다양한 공정 마진 확보가 가능하고, MOS 트랜지스터에 적용할 수 있다.In addition, the effective channel length can be adjusted to enable cell implementation and various process margins of the next generation of highly integrated flash devices, and can be applied to MOS transistors.

Claims (3)

(a) 소자 분리막이 형성된 반도체 기판에 플로팅 게이트 전극을 형성하는 단계;(a) forming a floating gate electrode on the semiconductor substrate on which the device isolation layer is formed; (b) 전체 구조상에 유전체막, 제 1 도전막, 제 2 도전막 및 하드 마스크막을 순차적으로 형성하는 단계;(b) sequentially forming a dielectric film, a first conductive film, a second conductive film, and a hard mask film on the entire structure; (c) 상기 하드 마스크막을 패터닝 하는 단계;(c) patterning the hard mask layer; (d) 패터닝된 상기 하드 마스크막 측벽에 소자의 유효 채널 길이를 넓이기 위한 스페이서를 형성하는 단계; 및(d) forming spacers on the patterned sidewalls of the hard mask layer to extend the effective channel length of the device; And (e) 상기 스페이서가 형성된 상기 하드 마스크막을 식각마스크로 하는 식각공정을 통해 상기 제 2 도전막, 상기 제 1 도전막, 상기 유전체막 및 상기 플로팅 게이트 전극을 식각하여 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.(e) forming a gate electrode by etching the second conductive layer, the first conductive layer, the dielectric layer, and the floating gate electrode through an etching process using the hard mask layer having the spacer as an etch mask. The manufacturing method of the semiconductor element characterized by the above-mentioned. 제 1 항에 있어서, 상기 (c) 단계는,The method of claim 1, wherein step (c) comprises: 상기 하드 마스크막 상에 감광막을 도포하는 단계;Applying a photoresist film on the hard mask film; 게이트 전극용 마스크를 이용한 사진 식각공정을 실시하여 감광막 패턴을 형성하는 단계;Forming a photoresist pattern by performing a photolithography process using a mask for a gate electrode; 상기 감광막 패턴을 식각 마스크로 하는 식각공정을 실시하여 상기 하드 마스크막을 제거하는 단계;Removing the hard mask layer by performing an etching process using the photoresist pattern as an etching mask; 상기 감광막 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.And removing the photosensitive film pattern. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 스페이서는 질화막 계열의 물질막 및 산화막 계열의 물질막중 적어도 어느 하나의 막인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.The spacer is a method of manufacturing a semiconductor device, characterized in that at least one of the nitride film-based material film and the oxide film-based material film.
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