KR20050049582A - Method for manufacturing recess channel transistor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 게이트 로딩 캐패시터를 감소 또는 최소화할 수 있는 리세스 채널을 갖는 트랜지스터의 제조방법에 대하여 개시하고 있다. 그의 방법은, 반도체 기판의 활성영역에 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 트렌치의 측벽에 불순물 이온주입영역을 형성하는 단계와, 상기 트렌치의 바닥보다 상기 불순물 이온주입영역이 형성된 상기 트렌치 측벽에 선택적으로 더 두꺼운 게이트 절연막을 형성하는 단계와, 상기 게이트 절연막이 형성된 반도체 기판 상에 게이트 스택을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다. The present invention discloses a method of fabricating a transistor having a recess channel that can reduce or minimize the gate loading capacitor. The method includes forming a trench in an active region of a semiconductor substrate, forming an impurity ion implantation region in a sidewall of the trench, and selectively in the trench sidewall in which the impurity ion implantation region is formed rather than a bottom of the trench. Forming a thicker gate insulating film, and forming a gate stack on the semiconductor substrate on which the gate insulating film is formed.
Description
본 발명은 반도체 메모리 소자에서 사용되는 트랜지스터의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 리세스 채널을 갖는 트랜지스터의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a transistor used in a semiconductor memory device, and more particularly, to a method for manufacturing a transistor having a recess channel.
최근, 반도체 소자의 고집적화에 따라 모스(MOS) 소자의 크기가 점점 줄어드는 추세에 있다. 또한, 소자의 동작 속도와 전류 구동 능력을 향상시키기 위해 채널 길이는 딥 서브 마이크론(deep sub-micron)까지 감소되고 있다.In recent years, as the integration of semiconductor devices has increased, the size of MOS devices has gradually decreased. In addition, the channel length has been reduced to deep sub-microns to improve the device's operating speed and current drive capability.
채널의 길이가 점점 감소함에 따라 소오스와 드레인의 공핍 영역이 채널속으로 침투하여 유효 채널 길이가 줄어들고, 문턱전압(threshold voltage)이 감소함으로써, 모스 트랜지스터에서 게이트 제어의 기능이 상실되는 단채널 효과(short channel effect)가 유발된다.As the length of the channel gradually decreases, the depletion region of the source and drain penetrates into the channel, thereby reducing the effective channel length and decreasing the threshold voltage, thereby shortening the gate control function of the MOS transistor. short channel effect).
이러한 단채널 효과를 극복하기 위해 얕은 접합(shallow junction)과 더불어 채널영역의 하부에 반대 도전형의 불순물(dopant)을 이온주입 함으로써 해결하고자 하였으나, 반도체 소자 내에서는 고 전계가 가해지고 이로 인해 핫 캐리어(hot carrier)가 발생한다. 핫 캐리어는 충돌이온화를 일으켜 핫 캐리어가 산화막으로 침투하게 되므로 산화막이 열화되어 소자의 불량을 야기할 수 있다. In order to overcome this short channel effect, an attempt was made to solve the problem by ion implanting an opposite conductivity type dopant into the lower portion of the channel region together with a shallow junction. (hot carrier) occurs. Since the hot carriers cause collision ionization and the hot carriers penetrate into the oxide film, the oxide film may deteriorate and may cause device defects.
이러한 핫 캐리어를 감소시키기 위해 대부분의 트랜지스터 제조공정은 LDD(Lightly Doped Drain)구조를 채택하고 있는 데, 이는 게이트 영역과 고농도로 주입된 드레인영역의 사이에 저농도로 주입된 완충영역을 형성한다.In order to reduce such hot carriers, most transistor manufacturing processes adopt a lightly doped drain (LDD) structure, which forms a low concentration buffer region between a gate region and a high concentration drain region.
그러나, 계속적인 반도체 소자의 고집적화 요구에 따라 채널길이가 더욱 짧아지기 때문에 상술한 LDD구조의 트랜지스터 역시 단 채널 현상과 핫캐리어 현상을 줄이는 데 한계에 있다. 또한, 트랜지스터 동작시 소오스와 드레인의 불순물들이 측면으로 확산되는 펀치쓰루(punchthrough)효과를 발생시키는 문제점이 있다. However, the transistor length of the above-described LDD structure is also limited in reducing the short channel phenomenon and the hot carrier phenomenon because the channel length becomes shorter due to the continuous integration requirements of semiconductor devices. In addition, there is a problem in that a punchthrough effect in which impurities of the source and the drain are diffused laterally during the transistor operation.
이러한 문제점을 해결하고, 반도체 기판 내부에 형성된 고밀도 패킹의 메모리 셀의 크기를 줄이기 위한 일환으로, 단위 면적당 플래너형보다 게이트 채널 길이가 더 길어진 리세스(Recess) 또는 그루브(groove)채널을 갖는 트랜지스터 개발의 필요성이 대두되고 있다.In order to solve this problem and reduce the size of the high density packing memory cell formed inside the semiconductor substrate, a transistor having a recess or groove channel having a longer gate channel length than a planar type per unit area is developed. The need for this is emerging.
상기 리세스 채널을 갖는 트랜지스터는 채널이 형성될 영역에 트렌치(trench)를 형성하여 유효 채널 길이를 증가시킴으로써, 소오스와 드레인의 펀치쓰루를 개선하고 실질적으로 소오스와 드레인사이의 거리를 넓혀 종국적으로 반도체 소자의 고집적화에 도움을 줄 수 있다.The transistor having the recess channel increases the effective channel length by forming a trench in the region where the channel is to be formed, thereby improving the punch through of the source and the drain and substantially increasing the distance between the source and the drain. It can help in high integration of the device.
이하, 도면을 참조하여 종래의 기술에 따른 리세스 채널을 갖는 트랜지스터의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a manufacturing method of a transistor having a recess channel according to the related art will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1a 내지 도 1j는 종래 기술의 리세스 채널을 갖는 트랜지스터의 제조방법을 설명하기 위해 나타낸 공정 단면도들이다. 도 1a 내지 도 1j에 도시된 공정 단면도들은 각각 비트 라인을 따라 절개한 부분을 나타내고, 워드 라인을 따라 절개한 부분을 나타내는 것으로서 왼쪽의 I-I' 선상을 자른 단면을 오른쪽 부분에 확대하여 나타낸다.1A to 1J are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a transistor having a recess channel of the prior art. The process cross-sectional views shown in FIGS. 1A to 1J each show a cut portion along a bit line and a cut portion along a word line, and an enlarged cross section cut along the line II ′ on the left is shown on the right portion.
도 1a에 도시한 바와 같이, 소자 분리막(10)에 활성영역이 정의되는 P형(제1 불순물이라 칭함) 반도체 기판(12) 상에 패드 산화막(14) 및 하드 마스크 막(16)을 순차적으로 적층하고, 상기 하드 마스크 막(16) 상에 포토레지스트를 도포하고, 포토 공정을 이용하여 포토레지스트 패턴(18)을 형성한다.As shown in FIG. 1A, the pad oxide film 14 and the hard mask film 16 are sequentially formed on a P-type (called first impurity) semiconductor substrate 12 in which an active region is defined in the device isolation film 10. The photoresist is deposited on the hard mask film 16 and the photoresist pattern 18 is formed using a photo process.
도 1b에 도시한 바와 같이, 상기 포토레지스트 패턴(18)을 식각 마스크로 사용하여 상기 패드 산화막(14)이 노출되도록 상기 하드 마스크 막(16)의 일부를 식각한다. 또한, 상기 포토레지스트 패턴(18)을 제거한다.As shown in FIG. 1B, a portion of the hard mask layer 16 is etched using the photoresist pattern 18 as an etching mask to expose the pad oxide layer 14. In addition, the photoresist pattern 18 is removed.
도 1c에 도시한 바와 같이, 상기 하드 마스크 막(16)을 식각 마스크로 사용하여 상기 반도체 기판(12)이 노출되도록 상기 패드 산화막(14)을 제거한다.As illustrated in FIG. 1C, the pad oxide layer 14 is removed to expose the semiconductor substrate 12 using the hard mask layer 16 as an etching mask.
도 1d에 도시한 바와 같이, 상기 마스크 막(16) 및 패드 산화막(14)을 식각 마스크층으로 사용하여 상기 반도체 기판(12)의 표면을 소정 깊이까지 식각하여 트렌치(trench, 20)를 형성한다.As shown in FIG. 1D, a trench 20 is formed by etching the surface of the semiconductor substrate 12 to a predetermined depth by using the mask film 16 and the pad oxide film 14 as an etch mask layer. .
도 1e에 도시한 바와 같이, 상기 트렌치(20) 내부의 반도체 기판(12)을 제거하여 소오스 및 드레인 영역을 분리한다. As shown in FIG. 1E, the source and drain regions are separated by removing the semiconductor substrate 12 inside the trench 20.
도 1f에 도시한 바와 같이, 상기 반도체 기판(12) 상에 형성된 상기 하드 마스크 막(16) 및 패드 산화막(14)을 습식 식각방법으로 제거하여 상기 반도체 기판(12) 및 소자 분리막(10)의 전면을 노출시킨다. 이때, 상기 습식 식각방법은 상기 하드 마스크 막(16) 또는 상기 패드 산화막(14)을 선택적으로 식각할 수 있는 식각액을 사용하여 이루어진다. As shown in FIG. 1F, the hard mask layer 16 and the pad oxide layer 14 formed on the semiconductor substrate 12 may be removed by wet etching to remove the semiconductor substrate 12 and the device isolation layer 10. Expose the front. In this case, the wet etching method may be performed using an etchant capable of selectively etching the hard mask layer 16 or the pad oxide layer 14.
도 1g에 도시한 바와 같이, 상기 트렌치(20)를 포함하는 반도체 기판(12) 전면에 게이트 절연막(26)을 형성한다. 이때, 상기 소자 분리막(10) 및 상기 반도체 기판(12)의 전면에 상기 게이트 절연막이 동일한 두께로 형성된다. As shown in FIG. 1G, the gate insulating layer 26 is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 12 including the trench 20. In this case, the gate insulating film is formed on the entire surface of the device isolation layer 10 and the semiconductor substrate 12 with the same thickness.
도 1h에 도시한 바와 같이, 상기 게이트 절연막(26)이 형성된 반도체 기판(12) 상에 게이트 전극(28), 금속층(30) 및 게이트 상부 절연막(32)을 순차적으로 적층한다.As shown in FIG. 1H, the gate electrode 28, the metal layer 30, and the gate upper insulating layer 32 are sequentially stacked on the semiconductor substrate 12 on which the gate insulating layer 26 is formed.
도 1i에 도시한 바와 같이, 상기 소오스 및 드레인 영역과 소자 분리막(10) 상의 상기 게이트 상부 절연막(32), 금속층(30) 및 게이트 전극(28)을 순차적으로 제거하여 게이트 스택(34)을 형성한다.As shown in FIG. 1I, the gate stack 34 is sequentially formed by sequentially removing the source and drain regions and the gate upper insulating layer 32, the metal layer 30, and the gate electrode 28 on the device isolation layer 10. do.
도 1j에 도시한 바와 같이, 상기 게이트 스택(34)의 측벽에 스페이서(36)를 형성하고, 상기 게이트 스택(34)을 중심으로 소오스 및 드레인 영역에 N형(이하 제 2 불순물이라 칭함)을 이온주입하여 제 2 불순물 영역(38)을 형성한다. 이때, 제 2 불순물 영역(38)은 상기 제 1 불순물과 반대 도전형의 불순물을 도핑하여 형성된다.As shown in FIG. 1J, spacers 36 are formed on sidewalls of the gate stack 34, and N-type (hereinafter referred to as second impurities) is formed in the source and drain regions around the gate stack 34. Ion implantation forms the second impurity region 38. In this case, the second impurity region 38 is formed by doping impurities of a conductivity type opposite to that of the first impurity.
이와 같은 일련의 공정을 통하여 종래 기술의 리세스 채널을 갖는 트랜지스터를 완성하고, 상기 소오스 및 드레인 영역 상의 상기 게이트 절연막(26)을 제거한 후, 상기 소오스 및 드레인 영역에 비트라인 콘택(Bitline contact) 및 스토리지 노드 콘택(storage node contact)을 형성할 수 있다.Through this series of processes, a transistor having a recess channel according to the related art is completed, the gate insulating layer 26 on the source and drain regions is removed, and bit line contact and bit line contact and drain regions are formed on the source and drain regions. Storage node contacts may be formed.
하지만, 종래 기술에 따른 리세스 채널을 갖는 트랜지스터의 제조방법은 다음과 같은 문제가 있었다.However, the method of manufacturing a transistor having a recess channel according to the prior art has the following problems.
종래 기술의 리세스 채널을 갖는 트랜지스터의 제조방법은 상기 게이트 전극(28)에 게이트 전압을 인가할 경우, 상기 트랜치(20) 내부에 형성된 게이트 절연막(26)이 동일한 두께를 갖고, 상기 트랜치(20) 상부의 모서리에서 게이트 전극(28)이 제 2 불순물 영역(38)을 커버링하도록 형성되어 있기 때문에 상기 게이트 전극(28)에 인접하는 제 2 불순물 영역(38)에 전하가 집중되어 게이트 로딩 캐패시턴스(Gate loading capacitance)가 증가하는 단점이 있었다. In a method of manufacturing a transistor having a recess channel according to the related art, when a gate voltage is applied to the gate electrode 28, the gate insulating layer 26 formed in the trench 20 has the same thickness, and the trench 20 is formed. Since the gate electrode 28 is formed to cover the second impurity region 38 at the upper corner, charge is concentrated in the second impurity region 38 adjacent to the gate electrode 28 so that the gate loading capacitance ( Gate loading capacitance was increased.
본 발명의 목적은 게이트 전극과 제 2 불순물 영역 사이에서 발생되는 게이트 로딩 캐패시턴스를 감소 또는 최소화할 수 있는 리세스 채널을 갖는 트랜지스터의 제조방법을 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a transistor having a recess channel capable of reducing or minimizing the gate loading capacitance generated between the gate electrode and the second impurity region.
상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 양태(aspect)에 따라, 리세스 채널을 갖는 트랜지스터는, 반도체 기판의 활성영역에 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 트렌치의 측벽에 불순물 영역을 형성하는 단계와, 상기 트렌치의 바닥보다 상기 불순물 영역이 형성된 상기 트렌치 측벽에 선택적으로 더 두꺼운 게이트 절연막을 형성하는 단계와, 상기 게이트 절연막이 형성된 반도체 기판 상에 게이트 스택을 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 한다. In accordance with an aspect of the present invention for achieving some of the above technical problems, a transistor having a recess channel includes forming a trench in an active region of a semiconductor substrate, and forming an impurity region in a sidewall of the trench. Forming a gate insulating film thicker on the sidewalls of the trench in which the impurity regions are formed than at the bottom of the trench; and forming a gate stack on the semiconductor substrate on which the gate insulating film is formed. It is done.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 여러 막과 영역들의 두께는 명료성을 위해서 강조되었으며, 어떤 층이 다른 층이나 반도체 기판 '상'에 존재한다고 기술될 때 다른 층이나 반도체 기판과 직접 접하면서 존재할 수도 있고 그 사이에 제 3의 층이 존재할 수 있다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. The present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be implemented in various different forms, only this embodiment to make the disclosure of the present invention complete, the scope of the invention to those skilled in the art It is provided to inform you. In the accompanying drawings, the thicknesses of the various films and regions have been emphasized for clarity, and may be present in direct contact with other layers or semiconductor substrates or between them when a layer is described as being on another layer or semiconductor substrate. There may be three layers.
도 2a 내지 도 2k는 본 발명의 리세스 채널을 갖는 트랜지스터의 제조방법을 설명하기 위해 나타낸 공정 단면도이다. 이때, 도 2a 내지 도 2k에 도시된 공정 단면도들은 각각 비트 라인을 따라 절개한 부분을 나타내고, 상기 비트 라인에 수직하는 워드 라인을 따라 절개한 부분을 나타내는 것으로서 왼쪽의 I-I' 선상을 자른 단면을 오른쪽 부분에 확대하여 나타낸다.2A to 2K are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a transistor having a recess channel of the present invention. In this case, the process cross-sectional views shown in FIGS. 2A to 2K represent portions cut along the bit lines, respectively, and portions cut along the word lines perpendicular to the bit lines. The part is enlarged and shown.
도 2a에 도시한 바와 같이, 소자 분리막(50)에 의해 활성영역이 정의되는 제 1 불순물로 도핑된 반도체 기판(52) 상에 패드 산화막(54) 및 하드 마스크 막(56)을 순차적으로 적층하고, 상기 하드 마스크 막(56) 상에 포토레지스트를 도포하고, 포토 공정을 이용하여 포토레지스트 패턴(58)을 형성한다. 여기서, 상기 패드 산화막(54)은 MTO(Medium Temperature Oxide) 방법으로 일정한(예를 들어 약 200Å 내지 500Å정도) 두께를 갖도록 형성되고, 상기 하드 마스크 막(56)은 화학 기계적 증착(Chemical Vapor Deposition : CVD) 방법으로 실리콘 산질화막(SiON)을 이용하여 소정(예를 들어 약 300Å 내지 1000Å정도) 두께를 갖도록 형성된다.As shown in FIG. 2A, the pad oxide layer 54 and the hard mask layer 56 are sequentially stacked on the semiconductor substrate 52 doped with the first impurity in which the active region is defined by the device isolation layer 50. A photoresist is applied on the hard mask layer 56, and a photoresist pattern 58 is formed by using a photo process. Here, the pad oxide film 54 is formed to have a constant thickness (for example, about 200 kPa to about 500 kPa) by MTO (Medium Temperature Oxide) method, and the hard mask film 56 is chemical vapor deposition (Chemical Vapor Deposition): It is formed using a silicon oxynitride film (SiON) by a CVD method to have a predetermined thickness (for example, about 300 Pa to 1000 Pa).
도 2b에 도시한 바와 같이, 상기 포토레지스트 패턴(58)을 식각 마스크로 사용하여 상기 패드 산화막(54)이 노출되도록 상기 하드 마스크 막(56)의 일부를 식각한다. 이때, 상기 하드 마스크 막(56)의 식각은 건식 식각을 이용하여 이루어지며, 상기 하드 마스크 막(56)의 식각은 이후 공정에서 트렌치(도 2d의 60)의 오픈 임계치수를 정의한다. 또한, 상기 포토레지스트 패턴(58)을 제거한다.As shown in FIG. 2B, a portion of the hard mask layer 56 is etched using the photoresist pattern 58 as an etching mask to expose the pad oxide layer 54. In this case, the hard mask layer 56 is etched using dry etching, and the etching of the hard mask layer 56 defines an open threshold of the trench (60 in FIG. 2D) in a subsequent process. In addition, the photoresist pattern 58 is removed.
도 2c에 도시한 바와 같이, 상기 하드 마스크 막(56)을 식각 마스크로 사용하여 상기 건식 식각방법으로 상기 반도체 기판(52)이 노출되도록 상기 패드 산화막(54)을 제거한다. As shown in FIG. 2C, the pad oxide layer 54 is removed to expose the semiconductor substrate 52 by the dry etching method using the hard mask layer 56 as an etching mask.
도 2d에 도시한 바와 같이, 상기 하드 마스크 막(56) 및 패드 산화막(54)을 식각 마스크층으로 사용하여 상기 건식 식각방법으로 상기 반도체 기판(52)의 표면을 소정 깊이까지 식각하여 트렌치(60)를 형성한다. 여기서, 상기 트렌치(60)는 오픈 임계치수에 따라 깊이 프로파일(Depth profile)이 달라질 수 있기 때문에 일정한 오픈(Open) 임계치수(Critical Demesion)를 갖도록 형성된다. 예컨대, 상기 트렌치(60)는 약 500Å 내지 1000Å 정도의 오픈 임계치수와, 1000Å 내지 1700Å 정도의 깊이를 갖도록 형성한다. 또한, 상기 패드 산화막(54)의 식각 공정과 상기 트렌치(60)의 형성 공정은 하나의 반응 챔버 내에서 서로 다른 반응가스를 이용하여 인시츄(IN-SITU)로 진행되어진다. As illustrated in FIG. 2D, the surface of the semiconductor substrate 52 is etched to a predetermined depth by the dry etching method using the hard mask layer 56 and the pad oxide layer 54 as an etching mask layer, and the trenches 60 are removed. ). Here, the trench 60 is formed to have a constant open critical dimension because the depth profile may vary according to the open critical dimension. For example, the trench 60 is formed to have an open threshold of about 500 mW to 1000 mW and a depth of about 1000 mW to 1700 mW. In addition, the etching process of the pad oxide layer 54 and the formation of the trench 60 are performed in-situ (IN-SITU) using different reaction gases in one reaction chamber.
이때, 상기 하드 마스크 막(56)은 희생층으로서, 상기 트렌치(60) 형성 공정 시 일부 또는 전체가 제거되고, 상기 패드 산화막(54)은 상기 하드 마스크 막(56)층의 식각 시 식각 저지층으로서 역할을 수행한다.In this case, the hard mask layer 56 is a sacrificial layer, and part or all of the hard mask layer 56 is removed during the formation of the trench 60, and the pad oxide layer 54 is an etch stop layer when the hard mask layer 56 is etched. Serves as.
도 2e에 도시한 바와 같이, 상기 트렌치(60)가 형성된 반도체 기판(52)을 등방성이 높은 습식 식각 방법으로 식각하여 소오스 및 드레인 영역을 분리한다. 이때, 상기 습식 식각방법은 소정 식각액(예를 들어 SC1)을 사용하여 상기 트렌치(60) 내부의 반도체 기판(52) 표면을 등방적으로 식각하기 때문에 상기 트렌치(60)의 측벽 뿐만 아니라, 상기 트렌치(60)의 깊이를 더 증가시킬 수도 있다. As illustrated in FIG. 2E, the semiconductor substrate 52 on which the trench 60 is formed is etched by a wet isotropic etching method to separate source and drain regions. In this case, the wet etching method isotropically etches the surface of the semiconductor substrate 52 inside the trench 60 using a predetermined etchant (for example, SC1), and thus not only the sidewall of the trench 60 but also the trench. The depth of 60 may be further increased.
도 2f에 도시한 바와 같이, 상기 소오스 및 드레인 영역이 분리된 상기 트렌치(60)의 측벽에 불소(Fluorine, F)를 이온주입하여 제 3 불순물 영역(62)을 형성한다. 이때, 상기 불소의 이온주입은 상기 트렌치(60)가 형성된 반도체 기판(52)을 향하여 수직으로 이루어지는 것이 아니라, 상기 트렌치(60)의 내벽에 대칭적으로 이루어질 수 있도록 상기 반도체 기판(52)에서 일정한 각도(예를 들어 약 20도 내지 약 50도 정도)에서 화살표 방향으로 이루어진다. 이와 같이, 상기 불소(F)의 이온주입이 상기 반도체 기판(52)에서 일정한 각도를 가지고 이루어지기 때문에 상기 불소의 이온 주입 시 상기 트렌치(60) 상부의 모서리에 형성된 상기 하드 마스크 막(56) 또는 상기 패드 산화막(52)이 상기 트렌치(60) 바닥에 이온주입되지 않도록 가려주는 이온주입마스크 역할을 한다. 또한, 상기 트렌치(60) 형성공정 시 상기 하드 마스크 막(56) 또는 상기 패드 산화막(54)이 과도하게 식각되어 얇아질 경우, 상기 트렌치(60) 측벽뿐만 아니라 상기 트렌치(60) 바닥까지 상기 불소(F)가 이온주입될 수 있다. 따라서, 상기 불소(F)의 이온 주입 시 상기 반도체 기판(52)으로부터 소정의 각도를 갖고, 상기 하드 마스크 막(56) 또는 상기 패드 산화막(54)과 같은 이온주입마스크를 사용하여 상기 불소(F)를 상기 트렌치(60) 측벽에 이온주입하기 때문에 상기 트렌치(60) 바닥보다 상기 트렌치(60)의 측벽에 이온주입되는 불소(F)의 농도가 높다. 이때, 상기 이온주입공정은 약 20KeV 내지 약 50KeV의 에너지와, 약 1×1013atoms/cm2 내지 1×1014atoms/cm2정도의 농도를 갖도록 이루어진다. 하지만, 상기 트렌치(60) 측벽에 이온주입되는 불소(F)가 이보다 높은 농도로 이온주입될 경우, 이후 공정에서 상기 트렌치(60) 내부에 형성되는 게이트 절연막(도2h의 66)의 형태 또는 조직(mopology)이 균일하지 않게 형성될 수 있고, 상기 불소(F)가 상기 반도체 기판(52)에서 채널 불순물로 작용하여 소자의 성능을 떨어뜨릴 수 있다.As illustrated in FIG. 2F, fluorine (F) is ion-implanted into the sidewall of the trench 60 in which the source and drain regions are separated to form a third impurity region 62. In this case, the ion implantation of the fluorine is not vertically directed toward the semiconductor substrate 52 on which the trench 60 is formed, but constant in the semiconductor substrate 52 so as to be symmetrically formed on the inner wall of the trench 60. In the direction of the arrow at an angle (eg, about 20 degrees to about 50 degrees). As described above, since the ion implantation of the fluorine (F) is made at a predetermined angle in the semiconductor substrate 52, the hard mask film 56 formed at the corners of the upper portion of the trench 60 during the ion implantation of the fluorine (F) or The pad oxide layer 52 serves as an ion implantation mask that hides the ion implants from the bottom of the trench 60. In addition, when the hard mask layer 56 or the pad oxide layer 54 is excessively etched and thinned during the trench 60 forming process, the fluorine may extend to the bottom of the trench 60 as well as the sidewalls of the trench 60. (F) may be ion implanted. Therefore, the fluorine (F) is implanted at an angle from the semiconductor substrate 52 by using an ion implantation mask such as the hard mask film 56 or the pad oxide film 54. ) Is implanted into the sidewall of the trench 60, so that the concentration of fluorine (F) ion-implanted into the sidewall of the trench 60 is higher than the bottom of the trench 60. In this case, the ion implantation process has an energy of about 20 KeV to about 50 KeV and a concentration of about 1 × 10 13 atoms / cm 2 to 1 × 10 14 atoms / cm 2 . However, when fluorine (F) ion-implanted into the trench 60 sidewall is ion-implanted at a higher concentration, the shape or structure of the gate insulating film (66 in FIG. 2H) formed in the trench 60 in a subsequent process. (mopology) may be formed to be non-uniform, and the fluorine (F) may act as a channel impurity in the semiconductor substrate 52 may reduce the performance of the device.
도 2g에 도시한 바와 같이, 상기 제 3 불순물 영역(62)이 형성된 반도체 기판(52) 상에 실리콘 산화막을 이용하여 게이트 절연막(66)을 형성한다. 예컨대 상기 게이트 절연막(66)은 열산화방법에 의해 형성되며, 상기 반도체 기판(52) 상에 약 30Å 내지 100Å정도의 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 제 3 불순물 영역(62)이 형성된 트렌치(60) 측벽에서는 상기 불소(F)가 실리콘 산화막의 형성 시 결정성장에서 촉매와 같은 역할을 하기 때문에 상기 트렌치(60) 측벽에서는 상기 트렌치(60) 바닥에서보다 선택적으로 더 두껍게 성장한다. 예컨대, 실리콘 산화막이 상기 트렌치(60) 바닥 또는 소오스 및 드레인 영역에서 약 30Å 내지 100Å정도 형성될 경우, 상기 트렌치(60) 측벽에서 약 70Å 내지 약 200Å정도로 형성되어 상기 트렌치(60) 바닥보다는 상기 트렌치(60) 측벽에서 더 두껍게 형성된다.As shown in FIG. 2G, the gate insulating film 66 is formed on the semiconductor substrate 52 on which the third impurity region 62 is formed using a silicon oxide film. For example, the gate insulating layer 66 may be formed by a thermal oxidation method, and may be formed on the semiconductor substrate 52 to have a thickness of about 30 GPa to 100 GPa. In this case, since the fluorine (F) acts as a catalyst in crystal growth when the silicon oxide film is formed on the sidewall of the trench 60 in which the third impurity region 62 is formed, the trench 60 is formed on the sidewall of the trench 60. Grow selectively thicker than at the bottom). For example, when the silicon oxide film is formed at about 30 to 100 microseconds at the bottom of the trench 60 or at the source and drain regions, the silicon oxide film is formed at about 70 microseconds to about 200 microseconds at the sidewall of the trench 60 to form the trench rather than the bottom of the trench 60. 60 is formed thicker in the side wall.
따라서, 상기 트렌치(60) 측벽의 상기 제 3 불순물 영역(62)에 이온주입된 불소에 의해 상기 게이트 절연막(66)이 상기 트렌치(60) 바닥보다 더 두껍게 형성되기 때문에 이후의 공정에서 상기 게이트 절연막(66) 상에 형성되는 게이트 전극(도 2i의 68)과 상기 트렌치(60) 상부의 모서리에서 발생되는 게이트 로딩 캐패시터를 줄일 수 있다. Accordingly, since the gate insulating layer 66 is formed thicker than the bottom of the trench 60 by fluorine ion implanted into the third impurity region 62 of the sidewall of the trench 60, the gate insulating layer may be formed in a subsequent process. The gate electrode (68 of FIG. 2I) and the gate loading capacitor generated at the corners of the upper portion of the trench 60 may be reduced.
도 2i에 도시한 바와 같이, 상기 게이트 절연막(66)이 형성된 반도체 기판(52) 상에 폴리 실리콘 재질로 형성된 게이트 전극(68)을 형성하고, 상기 게이트 전극(68)이 형성된 반도체 기판(52) 상에 도전성 금속 실리사이드를 이용하여 금속층(70)(예를 들어 SiW)을 형성하고, 상기 금속층이 형성된 반도체 기판(52)의 전면에 게이트 상부 절연막(72)을 순차적으로 적층한다.As shown in FIG. 2I, a gate electrode 68 made of polysilicon is formed on the semiconductor substrate 52 on which the gate insulating layer 66 is formed, and the semiconductor substrate 52 on which the gate electrode 68 is formed. A metal layer 70 (for example, SiW) is formed on the conductive metal silicide on the substrate, and the gate upper insulating layer 72 is sequentially stacked on the entire surface of the semiconductor substrate 52 on which the metal layer is formed.
도 2j에 도시한 바와 같이, 상기 소오스 및 드레인 영역과 상기 트렌치(60) 상의 일부 상기 게이트 상부 절연막(72), 금속층(70) 및 게이트 전극(68)을 순차적으로 제거하여 게이트 스택(74)을 형성한다. 이때, 상기 게이트 스택(74)의 임계치수를 트렌치(60)의 오픈 임계치수 보다 크게 형성한다. 도시하지는 않았지만, 상기 게이트 스택(74)의 임계치수를 트렌치(60)의 오픈 임계치수보다 작게 형성하여 상기 트렌치(60)의 내부까지 들어오도록 할 수도 있다. As illustrated in FIG. 2J, the gate stack 74 may be removed by sequentially removing the source and drain regions and a portion of the gate upper insulating layer 72, the metal layer 70, and the gate electrode 68 on the trench 60. Form. At this time, the threshold of the gate stack 74 is formed larger than the open threshold of the trench 60. Although not shown, the threshold of the gate stack 74 may be formed smaller than the open threshold of the trench 60 so as to enter the inside of the trench 60.
도 2k에 도시한 바와 같이, 상기 게이트 스택(74)이 형성된 반도체 기판(52) 상에 화학기상증착법을 이용하여 실리콘 질화막 또는 실리콘 산질화막 또는 실리콘 산화막과 같은 절연막을 형성하고, 상기 절연막을 건식식각하여 상기 게이트 스택(74)의 측벽에 스페이서(76)를 형성한다. 이때, 상기 스페이서(76)는 상기 절연막의 형성 시 상기 게이트 스택(74)의 측벽과 같은 홈에서 스탭 커버리지(step coverage)가 우수하도록 형성하여 상기 홈에서 평탄면보다 상기 절연막을 두껍게 형성할 수 있고, 상기 건식식각의 수직성과 등방성을 이용하여 상기 평탄면에서 상기 절연막을 제거할 경우 상기 게이트 스택(74)의 측벽에서 상기 금속층(70)과 게이트 전극(68)을 절연시키는 절연막을 선택적으로 남길 수 있다. As shown in FIG. 2K, an insulating film, such as a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, or a silicon oxide film, is formed on the semiconductor substrate 52 on which the gate stack 74 is formed by using chemical vapor deposition, and the insulating film is dry-etched. As a result, spacers 76 are formed on sidewalls of the gate stack 74. In this case, the spacer 76 may be formed to have excellent step coverage in the same groove as the sidewall of the gate stack 74 when the insulating film is formed, thereby forming the insulating film thicker than the flat surface in the groove. When the insulating layer is removed from the planar surface by using the perpendicularity and isotropy of the dry etching, an insulating layer that insulates the metal layer 70 and the gate electrode 68 from the sidewall of the gate stack 74 may be selectively left. .
또한, 상기 스페이서(76)를 이온주입 마스크로 사용하는 자기정렬(self-align)방법으로 상기 소오스 및 드레인 영역에 제 2 불순물을 이온주입하여 제 2 불순물 영역(78)을 형성한다.In addition, a second impurity region 78 is formed by implanting a second impurity into the source and drain regions by a self-aligning method using the spacer 76 as an ion implantation mask.
또한, 본 발명에 따른 리세스 트랜지스터의 제조공정을 완료하고, 상기 소오스 및 드레인 영역 상의 게이트 절연막(66)을 제거한 후, 층간 절연막을 형성하고상기 소오스 및 드레인 영역에 콘택홀을 형성하고, 도전성 금속을 이용하여 비트라인 콘택(Bitline contact) 및 스토리지 노드 콘택(storage node contact)을 형성한다.In addition, after the manufacturing process of the recess transistor according to the present invention is completed, the gate insulating layer 66 on the source and drain regions is removed, an interlayer insulating layer is formed, and contact holes are formed in the source and drain regions, and a conductive metal is formed. The bit line contact and the storage node contact are formed using the C-type bit line contact and the storage node contact.
따라서, 본 발명의 리세스 트랜지스터의 제조방법은 상기 트렌치(60) 측벽에 제 3 불순물 영역(62)을 형성하여 상기 트렌치(60) 측벽에 형성되는 게이트 절연막(66)을 상기 트렌치(60) 바닥에 형성되는 게이트 절연막(66)에 비해 선택적으로 두껍게 형성할 수 있기 때문에 상기 게이트 전극(68)에 게이트 전압을 인가할 경우 상기 게이트 전극(68)과 제 2 불순물 영역(78)사이에서 발생되는 게이트 로딩 캐패시턴스(Gate loading capacitance)를 감소 또는 최소화할 수 있고, 트랜지스터의 성능을 개선시킬 수 있다.Accordingly, in the method of manufacturing a recess transistor according to the present invention, a third impurity region 62 is formed on sidewalls of the trench 60 to form a gate insulating layer 66 formed on the sidewalls of the trench 60. Since the gate insulating layer 66 can be formed to be thicker than the gate insulating layer 66 formed therein, a gate generated between the gate electrode 68 and the second impurity region 78 when a gate voltage is applied to the gate electrode 68. The gate loading capacitance can be reduced or minimized and the performance of the transistor can be improved.
또한, 상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 제공하기 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 물론이다. In addition, the description of the above embodiment is merely given by way of example with reference to the drawings in order to provide a more thorough understanding of the present invention, it should not be construed as limiting the present invention. In addition, various changes and modifications are possible to those skilled in the art without departing from the basic principles of the present invention.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 리세스 채널을 갖는 트랜지스터의 제조방법에 있어서, 트렌치 측벽에 제 3 불순물 영역을 형성하여 트렌치 측벽에 형성되는 게이트 절연막의 두께를 트렌치 바닥에 형성되는 게이트 절연막의 두께보다 크게 형성할 수 있기 때문에 게이트 로딩 캐패시턴스를 감소 또는 최소화시킬 수 있다. As described above, in the method of manufacturing a transistor having a recess channel of the present invention, the thickness of the gate insulating film formed on the trench bottom is formed by forming a third impurity region on the trench sidewall and forming the thickness of the gate insulating film formed on the trench sidewall. Since it can be made larger, the gate loading capacitance can be reduced or minimized.
도 1a 내지 도 1j는 종래 기술의 리세스 채널을 갖는 트랜지스터의 제조방법을 설명하기 위해 나타낸 공정 단면도들이다. 1A to 1J are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a transistor having a recess channel of the prior art.
도 2a 내지 도 2k는 본 발명의 리세스 채널을 갖는 트랜지스터의 제조방법을 설명하기 위해 나타낸 공정 단면도이다.2A to 2K are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a transistor having a recess channel of the present invention.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
50 : 소자 분리막 52 : 반도체 기판50 device isolation layer 52 semiconductor substrate
54 : 패드 산화막 56 : 하드 마스크 막54: pad oxide film 56: hard mask film
58 : 포토레지스트 패턴 60 : 트렌치58: photoresist pattern 60: trench
62 : 제 3 불순물 영역 66 : 게이트 절연막 62: third impurity region 66: gate insulating film
68 : 게이트 전극 70 : 금속 실리사이드 층68 gate electrode 70 metal silicide layer
72 : 게이트 상부 절연막 74 : 게이트 스택72: gate upper insulating film 74: gate stack
76 : 스페이서 78 : 제2 불순물 영역 76 spacer 78 second impurity region
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR100733446B1 (en) * | 2005-11-16 | 2007-06-29 | 주식회사 하이닉스반도체 | Method for fabricating the same of semiconductor device with recess gate of flask shape |
KR100930387B1 (en) * | 2007-10-31 | 2009-12-08 | 주식회사 하이닉스반도체 | Method of manufacturing MOS transistor having n-type gate poly |
CN102184924A (en) * | 2010-01-19 | 2011-09-14 | 海力士半导体有限公司 | Semiconductor memory device and method for fabricating the same |
KR101102542B1 (en) * | 2008-10-06 | 2012-01-04 | 주식회사 하이닉스반도체 | Method for fabricating semiconductor device |
-
2003
- 2003-11-21 KR KR1020030082843A patent/KR20050049582A/en not_active Application Discontinuation
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