KR20080009582A - Static random access memory device and method of forming the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 전형적인 씨모스형(CMOS type) 에스램 셀의 등가 회로도이다.1 is an equivalent circuit diagram of a typical CMOS type SRAM cell.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에스램 소자를 보여주는 단면도이다.2 is a cross-sectional view illustrating an SRAM device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ'의 방향에서 본 단면도이다.3 is a cross-sectional view taken from the direction II ′ of FIG. 2.
도 4a 내지 도 7a와 도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 에스램 소자를 형성하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.4A to 7A and 8 to 10 are cross-sectional views illustrating a method of forming an SRAM device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 4b 내지 도 7b는 각각 도 4a 내지 도 7a의 Ⅱ-Ⅱ'의 방향에서 본 단면도이다.4B-7B are sectional views seen from the direction II-II 'of FIGS. 4A-7A, respectively.
본 발명은 반도체 소자 및 그 형성 방법에 관한 것으로, 특히, 에스램 소자 및 그 형성 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device and a method of forming the same, and more particularly, to an SRAM device and a method of forming the same.
에스램 소자의 단위 셀(cell)은 두개의 인버터들(inverters)을 포함한다. 상기 에스램 셀은 상기 두개의 인버터들의 출력단들이 서로 크로스 커플된(cross-coupled) 플립-플롭(flip-flop)구조를 갖는다. 이에 더하여, 상기 에 스램 셀은 2개의 억세스 트랜지스터들(access transistors)을 더 포함한다. 2개의 억세스 트랜지스터들은 셀 선택 동작과, 데이타 저장/소거/읽기 동작을 위하여 사용된다. 이러한 에스렘 셀은 전원이 인가되어 있는 동안에 플립-플롭의 피드백(feedback) 효과에 의해 데이타를 저장한다. 즉, 상기 에스램 셀은 디램 셀(DRAM cell)의 리프레쉬(refresh)이 동작이 요구되지 않기 때문에, 상기 에스램 소자는 디램 소자에 비하여 소비전력이 낮은 장점을 갖는다.The unit cell of the SRAM element includes two inverters. The SRAM cell has a flip-flop structure in which output terminals of the two inverters are cross-coupled with each other. In addition, the RAM cell further includes two access transistors. Two access transistors are used for cell selection and data store / erase / read operations. These ESR cells store data by the feedback effect of the flip-flop while power is applied. That is, since the SRAM cell does not require an operation of refreshing a DRAM cell, the SRAM device has an advantage of lower power consumption than a DRAM device.
상기 에스램 셀은 크게 두가지로 분류될 수 있다. 그 하나는 고저항을 부하소자로 채택하는 고저항형 에스램 셀이고, 다른 하나는 PMOS 트랜지스터를 부하소자로 채택하는 씨모스형(CMOS type) 에스램 셀이다. 상기 씨모스형 에스램 셀은 상기 고저항형 에스램 셀에 비하여 낮은 누설전류 및 빠른 동작속도를 구현할 수 있다. 이로써, 최근에는 씨모스형 에스램 셀에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다. 씨모스형 에스램 셀을 도 1의 등가 회로도를 참조하여 좀더 구체적으로 설명한다.The SRAM cell can be classified into two types. One is a high resistance type SRAM cell adopting high resistance as a load element, and the other is a CMOS type SRAM cell adopting PMOS transistor as a load element. The CMOS type SRAM cell may implement a lower leakage current and a faster operating speed than the high resistance type SRAM cell. Thus, research on CMOS type SRAM cells has been actively conducted in recent years. The CMOS type SRAM cell will be described in more detail with reference to the equivalent circuit diagram of FIG. 1.
도 1은 전형적인 씨모스형(CMOS type) 에스램 셀의 등가 회로도이다.1 is an equivalent circuit diagram of a typical CMOS type SRAM cell.
도 1을 참조하면, 씨모스형 에스램 셀은 제1 및 제2 구동(driver) 트랜지스터들(TD1,TD2), 제1 및 제2 억세스 트랜지스터들(TA1,TA2) 및 제1 및 제2 부하(load) 트랜지스터들(TL1,TL2)로 구성된다. 상기 제1 및 제2 구동 트랜지스터들(TD1,TD2)와 상기 제1 및 제2 억세스 트랜지스터들(TA1,TA2)는 모두 NMOS 트랜지스터인 반면에, 상기 제1 및 제2 부하 트랜지스터들(TL1,TL2)는 모두 PMOS 트랜지스터들이다.Referring to FIG. 1, a CMOS type SRAM cell may include first and second driver transistors TD1 and TD2, first and second access transistors TA1 and TA2, and first and second loads. (load) transistors TL1 and TL2. The first and second driving transistors TD1 and TD2 and the first and second access transistors TA1 and TA2 are both NMOS transistors, while the first and second load transistors TL1 and TL2 are each. Are all PMOS transistors.
상기 제1 구동 트랜지스터(TD1)와 제1 억세스 트랜지스터(TA1)는 서로 직렬 연결되며, 상기 제1 구동 트랜지스터(TD1)의 소오스 영역은 접지라인(Vss)과 연결되고, 상기 제1 억세스 트랜지스터(TA1)의 드레인 영역은 제1 비트라인(BL)과 연결된다. 이와 마찬가지로, 상기 제2 구동 트랜지스터(TD2)와 제2 억세스 트랜지스터(TA2)도 서로 직렬 연결된다. 그리고, 상기 제2 구동 트랜지스터(TD2)의 소오스 영역은 상기 접지라인(Vss)과 연결되고, 상기 제2 억세스 트랜지스터(TA2)의 드레인 영역은 제2 비트라인(/BL)과 연결된다.The first driving transistor TD1 and the first access transistor TA1 are connected in series with each other, a source region of the first driving transistor TD1 is connected with a ground line Vss, and the first access transistor TA1 ) Is connected to the first bit line BL. Similarly, the second driving transistor TD2 and the second access transistor TA2 are also connected in series. The source region of the second driving transistor TD2 is connected to the ground line Vss, and the drain region of the second access transistor TA2 is connected to the second bit line / BL.
상기 제1 부하 트랜지스터(TL1)의 소오스 영역 및 드레인 영역은 각각 전원선(power line; Vcc) 및 상기 제1 구동 트랜지스터(TD1)의 드레인 영역과 접속된다. 이와 마찬가지로, 상기 제2 부하 트랜지스터(TL2)의 소오스 영역 및 드레인 영역은 각각 전원선(Vcc) 및 제2 구동 트랜지스터(TD2)의 드레인 영역과 접속된다. 상기 제1 부하 트랜지스터(TL1)의 드레인 영역, 상기 제1 구동 트랜지스터(TD1)의 드레인 영역 및 상기 제1 전송 트랜지스터(TA1)의 소오스 영역은 제1 노드(N1)에 해당한다. 또한, 상기 제2 부하 트랜지스터(TL2)의 드레인 영역, 상기 제2 구동 트랜지스터(TD2)의 드레인 영역 및 상기 제2 전송 트랜지스터(TA2)의 소오스 영역은 제2 노드(N2)에 해당한다. 상기 제1 구동 트랜지스터(TD1)의 게이트 전극 및 제1 부하 트랜지스터(TL1)의 게이트 전극은 상기 제2 노드(N2)와 접속되고, 상기 제2 구동 트랜지스터(TD2)의 게이트 전극 및 제2 부하 트랜지스터(TL2)의 게이트 전극은 상기 제1 노드(N1)와 접속된다. 또한, 상기 제1 및 제2 억세스 트랜지스터들(TA1,TA2)의 게이트 전극들은 워드라인(WL)과 접속된다. A source region and a drain region of the first load transistor TL1 are connected to a power line Vcc and a drain region of the first driving transistor TD1, respectively. Similarly, the source region and the drain region of the second load transistor TL2 are connected to the drain region of the power supply line Vcc and the second driving transistor TD2, respectively. A drain region of the first load transistor TL1, a drain region of the first driving transistor TD1, and a source region of the first transfer transistor TA1 correspond to the first node N1. The drain region of the second load transistor TL2, the drain region of the second driving transistor TD2, and the source region of the second transfer transistor TA2 correspond to the second node N2. The gate electrode of the first driving transistor TD1 and the gate electrode of the first load transistor TL1 are connected to the second node N2, and the gate electrode and the second load transistor of the second driving transistor TD2. The gate electrode of TL2 is connected to the first node N1. In addition, gate electrodes of the first and second access transistors TA1 and TA2 are connected to a word line WL.
상술한 씨모스 에스램 셀은 부하저항 셀에 비하여 적은 대기 전류(small stand-by current)를 보임과 아울러 큰 노이즈 마진(large noise margin)을 보인다. 따라서, 씨모스 에스램 셀은 낮은 전원전압이 요구되는 고성능 에스램에 널리 사용된다.The CMOS SRAM cell described above shows a small stand-by current and a large noise margin as compared to the load resistance cell. Therefore, CMOS SRAM cells are widely used in high performance SRAMs requiring low power supply voltages.
도 1에 보여진 씨모스 에스램 셀의 등가회로도는 여러가지의 형태로 반도체 기판에 구현될 수 있다. 특히, 상기 트랜지스터들(TL1,TL2,TD1,TD2,TA1,TA2)을 모두 벌크(bulk) 기판에 형성하는 완전 씨모스 에스램 셀이 제안된 바 있다. 하지만, 완전 씨모스 에스램 셀은 큰 면적을 차지하기 때문에, 에스램 소자의 고집적화에 큰 제약이 따른다. 특히, 상기 구동 트랜지스터들(TD1,TD2)의 턴온 전류량은 에스램 소자의 동작에 중요한 요소로서 작용될 수 있다. 즉, 상기 구동 트랜지스터들(TD1,TD2)의 턴온 전류량이 충분하지 않을 경우, 상기 노드들(N1,N2) 중에서 접지 전압이 인가된 노드의 전압이 변화될 수 있다. 이러한 경우에, 플립-플롭 특성에 의하여 상기 노드들(N1,N2)에 저장된 전압들이 반전될 수 있다. 이에 따라, 상기 에스램 소자에 저장된 데이타들이 오염될 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 상기 구동 트랜지스터들(TD1,TD2)은 충분한 턴온전류량을 요구하기 때문에, 상기 구동 트랜지스터들(TD1,TD2)의 평면적이 증가될 수 있다. 그 결과, 에스램 소자를 고집적화시키는 것이 더욱 어려워질 수 있다.The equivalent circuit diagram of the CMOS SRAM cell shown in FIG. 1 may be implemented in a semiconductor substrate in various forms. In particular, a full CMOS SRAM cell has been proposed in which all of the transistors TL1, TL2, TD1, TD2, TA1, and TA2 are formed on a bulk substrate. However, since the full CMOS SRAM cell occupies a large area, there is a big limitation in the high integration of the SRAM element. In particular, the amount of turn-on current of the driving transistors TD1 and TD2 may act as an important factor for the operation of the SRAM device. That is, when the turn-on current amount of the driving transistors TD1 and TD2 is not sufficient, the voltage of the node to which the ground voltage is applied among the nodes N1 and N2 may be changed. In this case, the voltages stored at the nodes N1 and N2 may be reversed by the flip-flop characteristic. Accordingly, data stored in the SRAM device may be contaminated. In order to prevent this, since the driving transistors TD1 and TD2 require a sufficient amount of turn-on current, the planar area of the driving transistors TD1 and TD2 may be increased. As a result, it may be more difficult to integrate the SRAM element higher.
본 발명은 상술한 제반적인 문제점들을 해결하기 위하여 고안된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고집적화에 최적화된 에스램 소자 및 그 형성 방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been devised to solve the above-mentioned general problems, and a technical object of the present invention is to provide an SRAM device optimized for high integration and a method of forming the same.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 제한된 면적내에서 트랜지스터의 턴온(turn-on) 전류량을 증가시킬 수 있는 에스램 소자 및 그 형성 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide an SRAM device capable of increasing the amount of turn-on current of a transistor within a limited area and a method of forming the same.
상술한 기술적 과제들을 해결하기 위한 에스램 소자를 제공한다. 이 에스램 소자는 반도체 기판에 배치되어 활성영역을 한정하는 소자분리막; 상기 활성영역 및 상기 활성영역에 형성된 그루브(groove)의 상부를 가로지르는 제1 게이트 전극; 상기 활성영역과 제1 게이트 전극 사이에 개재된 제1 게이트 절연막; 및 상기 제1 게이트 전극 양측의 상기 활성영역에 형성된 제1 도펀트 도핑 영역을 포함한다. 상기 제1 게이트 전극은 상기 제1 게이트 절연막을 개재하여 상기 제1 게이트 전극 아래의 상기 그루브를 채운다.Provided is an SRAM device for solving the above technical problems. The SRAM device includes an isolation layer disposed on a semiconductor substrate to define an active region; A first gate electrode crossing the active region and an upper portion of a groove formed in the active region; A first gate insulating layer interposed between the active region and the first gate electrode; And a first dopant doped region formed in the active region on both sides of the first gate electrode. The first gate electrode fills the groove under the first gate electrode through the first gate insulating layer.
구체적으로, 상기 그루브의 상단 모서리는 둥근 형태일 수 있다.In detail, the top edge of the groove may have a round shape.
일 실시예에 따르면, 상기 에스램 소자는 상기 반도체 기판 전면을 덮는 제1 층간 절연막; 상기 제1 층간 절연막 상에 배치된 제1 반도체 패턴; 제2 게이트 절연막을 개재하여 상기 제1 반도체 패턴을 가로지르는 제2 게이트 전극; 상기 제2 게이트 전극 양측의 상기 제1 반도체 패턴에 형성된 제2 도펀트 도핑 영역; 및 상기 반도체 기판 전면을 덮는 제2 층간 절연막을 더 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 소자는 상기 제2 및 제1 층간 절연막들은 연속적으로 관통하여 상기 제1 및 제2 도펀트 도핑 영역들과 전기적으로 접속된 노드 콘택 플러그를 더 포함할 수 있다.In example embodiments, the SRAM device may include a first interlayer insulating layer covering an entire surface of the semiconductor substrate; A first semiconductor pattern disposed on the first interlayer insulating layer; A second gate electrode crossing the first semiconductor pattern through a second gate insulating layer; Second dopant doped regions formed in the first semiconductor pattern on both sides of the second gate electrode; And a second interlayer insulating layer covering the entire surface of the semiconductor substrate. In this case, the device may further include a node contact plug electrically connected to the first and second dopant doped regions through the second and first interlayer insulating layers.
일 실시예에 따르면, 상기 에스램 소자는 상기 제2 층간 절연막 상에 배치된 제2 반도체 패턴; 제3 게이트 절연막을 개재하여 상기 제2 반도체 패턴을 가로지르는 제3 게이트 전극; 상기 제3 게이트 전극 양측의 상기 제2 반도체 패턴에 형성된 제3 도펀트 도핑 영역; 및 상기 반도체 기판 전면을 덮는 제3 층간 절연막을 더 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 에스램 소자는 상기 제3, 제2 및 제1 층간 절연막들을 연속적으로 관통하여 상기 제1, 제2 및 제3 도펀트 도핑 영역들과 전기적으로 접속된 노드 콘택 플러그를 더 포함할 수 있다.In example embodiments, the SRAM device may include a second semiconductor pattern on the second interlayer insulating layer; A third gate electrode crossing the second semiconductor pattern through a third gate insulating layer; A third dopant doped region formed in the second semiconductor pattern on both sides of the third gate electrode; And a third interlayer insulating layer covering the entire surface of the semiconductor substrate. In this case, the SRAM device may further include a node contact plug continuously passing through the third, second and first interlayer insulating layers and electrically connected to the first, second and third dopant doped regions. Can be.
상술한 기술적 과제들을 해결하기 위한 에스램 소자의 형성 방법을 제공한다. 이 방법은 반도체 기판에 소자분리막을 형성하여 활성영역을 한정하는 단계; 상기 활성영역에 그루브를 형성하는 단계; 상기 그루브의 바닥면 및 양측면을 포함하는 상기 활성영역의 표면 상에 제1 게이트 절연막을 형성하는 단계; 상기 게이트 절연막 상에 상기 그루브를 채우는 도전막을 형성하는 단계; 상기 게이트 도전막을 패터닝하여 상기 그루브 및 활성영역을 가로지르는 제1 게이트 전극을 형성하는 단계; 및 상기 제1 게이트 전극 양측의 상기 활성영역에 제1 도펀트 도핑 영역을 형성하는 단계를 포함한다.Provided is a method of forming an SRAM device for solving the above technical problems. The method includes forming an isolation layer on a semiconductor substrate to define an active region; Forming a groove in the active region; Forming a first gate insulating film on a surface of the active region including a bottom surface and both sides of the groove; Forming a conductive film filling the groove on the gate insulating film; Patterning the gate conductive layer to form a first gate electrode crossing the groove and the active region; And forming a first dopant doped region in the active region on both sides of the first gate electrode.
일 실시예에 따르면, 상기 소자분리막은 상기 활성영역의 상면에 비해 높게 돌출된 부분을 갖을 수 있다. 이때, 상기 그루브를 형성하는 단계는 상기 소자분리막을 갖는 반도체 기판 상에 스페이서막을 실질적으로 콘포말하게 형성하는 단계; 상기 활성영역이 노출될때까지 상기 스페이서막을 이방성 식각하여 상기 소자분리막의 돌출된 부분의 측벽에 측벽 스페이서를 형성하는 단계; 및 상기 소자분리막 및 측벽 스페이서를 마스크로 사용하여 상기 노출된 활성영역을 식각하여 상기 그루브를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In example embodiments, the device isolation layer may have a portion protruding higher than an upper surface of the active region. In this case, the forming of the groove may include forming a spacer film substantially conformally on the semiconductor substrate having the device isolation film; Anisotropically etching the spacer layer until the active region is exposed to form sidewall spacers on sidewalls of the protruding portions of the device isolation layer; And etching the exposed active region by using the device isolation layer and the sidewall spacers as a mask to form the grooves.
일 실시예에 따르면, 상기 방법은 상기 제1 게이트 절연막을 형성하기 전에, 상기 반도체 기판에 산화 공정 및 습식 식각 공정을 포함하는 트리밍 공정(trimming process)을 수행하여 상기 그루브의 상단 모서리를 둥근 형태로 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment, before forming the first gate insulating layer, the method performs a trimming process including an oxidation process and a wet etching process on the semiconductor substrate to round the top edge of the groove. It may further comprise the step of forming.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층(또는 막) 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 또한, 층(또는 막)이 다른 층(또는 막) 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층(또는 막) 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 층(또는 막)이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided to ensure that the disclosed subject matter is thorough and complete, and that the spirit of the present invention to those skilled in the art will fully convey. In the drawings, the thicknesses of layers (or films) and regions are exaggerated for clarity. In addition, where it is said that a layer (or film) is "on" another layer (or film) or substrate, it may be formed directly on another layer (or film) or substrate or a third layer between them. (Or membrane) may be interposed. Portions denoted by like reference numerals denote like elements throughout the specification.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에스램 소자를 보여주는 단면도이고, 도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ'의 방향에서 본 단면도이다.FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an SRAM device according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a cross-sectional view viewed from the direction II ′ of FIG. 2.
도 2 및 도 3을 참조하면, 반도체 기판(100)에 소자분리막(106')이 배치되어 활성영역을 한정한다. 상기 활성영역에 그루브(110)가 형성되어 있다. 상기 그루 브(110)는 바닥면 및 양측면을 갖는다. 상기 그루브(110)의 바닥면은 상기 활성영역의 상면에 비하여 낮으며, 상기 그루브(110)의 측면은 상기 그루브(110)의 바닥면과 상기 활성영역의 상면을 연결한다. 즉, 상기 활성영역의 표면은 상기 그루브(110)로 인하여 굴곡져 있다. 상기 활성영역의 표면은 상기 활성영역의 상면과 상기 그루브(110)의 바닥면 및 양측면을 포함한다. 상기 그루브(110)는 상기 활성영역과 평행할 수 있다. 상기 그루브(110)의 상단 모서리는 둥근 형태인 것이 바람직하다.2 and 3, an
제1 게이트 전극(114)이 상기 활성영역 및 그루브(110)를 가로지른다. 제1 게이트 절연막(112)이 상기 제1 게이트 전극(114)과 상기 활성영역의 상면 사이 및 상기 제1 게이트 전극(114)과 상기 그루브(110)의 바닥면 및 양측면 사이에 개재된다. 이때, 상기 제1 게이트 전극(114)은 상기 제1 게이트 전극(114) 아래의 상기 그루브(110)를 채운다. 상기 제1 게이트 전극(114) 양측의 상기 활성영역에 제1 도펀트 도핑 영역(118, dopant-doped region)이 형성된다. 상기 제1 게이트 전극(114) 양측의 상기 활성영역에도 상기 그루브(110)가 배치될 수 있다. 따라서, 상기 제1 도펀트 도핑 영역(118)은 상기 제1 게이트 전극(114) 양측의 상기 그루브(110)가 형성된 활성영역에 형성될 수 있다. 상기 제1 게이트 전극(114) 및 제1 도펀트 도핑 영역(118)은 도 1의 제1 구동 트랜지스터(TD1)의 게이트 및 소오스/드레인에 해당할 수 있다.The
상기 제1 게이트전극(114) 상에 제1 캐핑 절연 패턴(116)이 배치될 수 있다. 상기 제1 게이트 절연막(112), 제1 게이트 전극(114) 및 제1 캐핑 절연 패턴(116) 은 제1 게이트 패턴을 구성한다. 도시하지 않았지만, 상기 제1 게이트 패턴의 양측벽에 제1 게이트 스페이서가 배치될 수 있다.A first
제1 층간 절연막(120)이 상기 제1 게이트 패턴을 포함하는 상기 반도체 기판(100) 전면을 덮는다. 도시하지 않았지만, 상기 제1 층간 절연막(120) 아래에 식각저지막이 배치될 수 있다. 상기 식각저지막은 상기 제1 게이트 전극(114)을 포함한 반도체 기판(100) 전면을 덮을 수 있다. 상기 식각저지막은 상기 제1 층간 절연막(120)은 식각선택비를 갖는 절연 물질로 형성된다.A first
상기 제1 층간 절연막(120) 상에 제1 반도체 패턴(126a)이 배치된다. 상기 제1 반도체 패턴(126a)은 상기 반도체 기판(100)과 동일한 반도체로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 반도체 기판(100) 및 제1 반도체 패턴(126a)은 실리콘으로 형성될 수 있다. 상기 제1 반도체 패턴(126a)은 단결정 상태인 것이 바람직하다. 제2 게이트 패턴(134)이 상기 제1 반도체 패턴(126a)을 가로지른다. 상기 제2 게이트 패턴(134)은 차례로 적층된 제2 게이트 절연막(128), 제2 게이트 전극(130) 및 제2 캐핑 절연 패턴(134)을 포함한다. 상기 제2 게이트 패턴(134) 양측의 상기 제1 반도체 패턴(126a)에 제2 도펀트 도핑 영역(136)이 형성된다. 상기 제2 도펀트 도핑 영역(126)은 상기 제1 도펀트 도핑 영역(136)과 동일한 타입의 도펀트들로 도핑될 수 있다. 도시하지 않았지만, 상기 제2 게이트 패턴(134) 양측에 제2 게이트 스페이서가 배치될 수 있다. 상기 제2 게이트 전극(130) 및 제2 도펀트 도핑 영역(136)은 각각 도 1의 제1 억세스 트랜지스터(TA1)의 게이트 및 소오스/드레인에 해당할 수 있다.The
제2 층간 절연막(138)이 상기 제2 게이트 패턴(134)을 포함한 반도체 기판(100) 전면을 덮는다. 제2 반도체 패턴(144a)이 상기 제2 층간 절연막(138) 상에 배치된다. 상기 제2 반도체 패턴(144a)은 상기 반도체 기판(100) 및 제1 반도체 패턴(126a)과 동일한 반도체로 형성될 수 있다. 상기 제2 반도체 패턴(144a)은 단결정 상태인 것이 바람직하다. 제3 게이트 패턴(152)이 상기 제2 반도체 패턴(144a)을 가로지른다. 상기 제3 게이트 패턴(152)은 차례로 적층된 제3 게이트 절연막(146), 제3 게이트 전극(148) 및 제3 캐핑 절연 패턴(150)을 포함한다. 상기 제3 게이트 패턴(152) 양측의 상기 제2 반도체 패턴(144a)에 제3 도펀트 도핑 영역(153)이 형성된다. 상기 제3 도펀트 도핑 영역(153)은 상기 제1 및 제2 도펀트 도핑 영역들(118,136)과 다른 타입의 도펀트들로 도핑될 수 있다. 도시하지 않았지만, 상기 제3 게이트 패턴(152) 양측에 제3 게이트 스페이서가 배치될 수 있다. 상기 제3 게이트 전극(148) 및 제3 도펀트 도핑 영역(153)은 각각 도 1의 제1 부하 트랜지스터(TL1)의 게이트 및 소오스/드레인 영역에 해당할 수 있다.The second
제3 층간 절연막(154)이 상기 제3 게이트 패턴(152)을 포함한 반도체 기판(100) 전면을 덮는다. 노드 콘택 플러그(158)가 상기 제3, 제2 및 제1 층간 절연막들(154,138,120)을 연속적으로 관통하는 노드 콘택홀(156)을 채운다. 상기 노드 콘택 플러그(158)는 상기 제1, 제2 및 제3 도펀트 도핑 영역들(118,136,153)과 전기적으로 접속한다. 상기 노드 콘택홀(156)은 상기 제1 도펀트 도핑 영역(118)을 직접 노출시킬 수 있다. 이 경우에, 상기 노드 콘택 플러그(158)는 상기 제1 도펀트 도핑 영역(118)과 직접 접속할 수 있다. 이와는 다르게, 상기 노드 콘택 플러 그(158)와 상기 제1 도펀트 도핑 영역(118) 사이에 버퍼 도전 패턴(124a)이 개재될 수 있다. 상기 버퍼 도전 패턴(124a)은 도펀트들에 의해 도핑된 반도체로 형성될 수 있다. 상기 노드 콘택 플러그(158)는 서로 다른 타입의 도펀트들로 도핑된 상기 제1, 제2 및 제3 도펀트 도핑 영역들(118,136,153)을 접속시키기 위하여 상기 도핑된 반도체를 제외한 도전 물질로 형성되는 것이 바람직하다.The third
상술한 구조의 에스램 소자에 따르면, 상기 반도체 기판(100) 상에 형성된 상기 제1 게이트 전극(114)은 그것의 아래에 배치된 상기 그루브(110)를 채운다. 이에 따라, 상기 제1 게이트 전극(114) 아래에 위치한 제1 채널 영역의 폭이 증가된다. 즉, 상기 제1 채널 영역은 상기 제1 게이트 전극(114) 아래에 위치한 상기 활성영역의 상면과 상기 그루브(110)의 양측면 및 바닥면을 포함한다. 이에 따라, 상기 제1 채널 영역의 폭은 상기 그루브(110)의 양측면의 높이들 만큼 증가된다. 그 결과, 제한된 면적내에서 상기 제1 채널 영역의 폭이 증가되어 상기 제1 게이트 전극(114)을 포함하는 트랜지스터의 턴온 전류량이 증가된다. 이로써, 고집적화된 에스램 소자를 구현할 수 있다. 특히, 상기 제1 게이트 전극(114)을 포함하는 트랜지스터가 상술한 바와 같이 구동 트랜지스터인 경우에, 에스램 셀에서 접지 전압이 인가된 노드의 전하들을 충분히 접지선으로 배출할 수 있다. 이에 따라, 종래의 데이타가 오염되는 현상을 방지할 수 있다.According to the SRAM device having the above-described structure, the
또한, 상기 제2 및 제3 게이트 패턴들(134,152)을 각각 포함하는 트랜지스터들은 상기 제1 게이트 전극(114)을 포함하는 트랜지스터 위로 적층된다. 이에 따라, 고도로 집적화된 에스램 소자를 구현할 수 있다.In addition, transistors including the second and
이에 더하여, 상기 그루브(110)의 상단 모서리는 둥근 형태이다. 이에 따라, 상기 제1 게이트 전극(114) 아래의 상기 그루브(110)의 상단 모서리에 전계가 집중되는 현상을 최소화할 수 있다.In addition, the top edge of the
한편, 상기 제3 게이트 패턴(152)을 갖는 트랜지스터는 상기 제2 게이트 패턴(134)을 갖는 트랜지스터와 동일한 레벨(level)에 배치될 수 있다. 이 경우에, 상기 제2 반도체 패턴(144a)은 상기 제2 층간 절연막(138)에 배치되어 상기 제1 반도체 패턴(126a)과 옆으로 이격된다. 물론, 상기 제3 게이트 패턴(152)도 상기 제2 게이트 패턴(134)과 옆으로 이격된다. 이 경우에, 상기 노드 콘택 플러그(158)은 상기 제2 및 제1 층간 절연막들(138,120)을 연속적으로 관통하여 상기 제1 및 제2 도펀트 도핑 영역들(118,136)과 전기적으로 접속될 수 있다. 이 경우에도, 상기 버퍼 도전 패턴(124a)은 존재할 수 있다.The transistor having the
한편, 본 발명에 따른 상기 그루브(110)는 구동, 억세스 및 부하 트랜지스터들이 모두 반도체 기판(100) 바로 위에 옆으로 이격되어 형성되는 완전 씨모스형 에스램 셀에도 적용될 수 있다. 이 경우에, 상기 그루브(110) 상의 제1 게이트 전극(114)을 포함하는 트랜지스터는 구동, 억세스 및 부하 트랜지스터들 중에 하나일 수 있다. 특히, 구동, 억세스 및 부하 트랜지스터들의 채널 영역들 모두에 상기 그루브(110)가 배치될 수 있다. 이 실시예에서도, 상기 구동, 억세스 및/또는 부하 트랜지스터들의 채널 영역들의 폭이 상기 그루브(110)에 의하여 제한된 면적내에서 증가된다. 따라서, 고집적화된 에스램 소자를 구현할 수 있다.Meanwhile, the
도 4a 내지 도 7a와 도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 에스램 소 자를 형성하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이고, 도 4b 내지 도 7b는 각각 도 4a 내지 도 7a의 Ⅱ-Ⅱ'의 방향에서 본 단면도이다.4A to 7A and 8 to 10 are cross-sectional views illustrating a method of forming an SRAM element according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 4B to 7B are II-II 'of FIGS. 4A to 7A, respectively. Sectional view from the direction of.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 하드마스크 패턴(102)을 형성한다. 상기 하드마스크 패턴(102)은 상기 반도체 기판(100)에 대하여 식각선택비를 갖는 물질을 포함한다. 예컨대, 상기 하드마스크 패턴(102)은 질화막을 포함할 수 있다. 이에 더하여, 상기 하드마스크 패턴(102)은 차례로 적층된 산화막 및 질화막을 포함할 수 있다.4A and 4B, the
상기 하드마스크 패턴(102)을 마스크로 사용하여 상기 반도체 기판(100)을 식각하여 활성영역을 한정하는 트렌치(104)를 형성한다. 이어서, 상기 트렌치(104)를 채우는 절연막을 반도체 기판(100) 전면 상에 형성하고, 상기 절연막을 상기 하드마스크 패턴(102)이 노출될때까지 평탄화시키어 소자분리막(106)을 형성한다. 상기 소자분리막(106)은 산화막으로 형성할 수 있다.Using the
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 상기 하드마스크 패턴(102)을 제거하여 상기 활성영역을 노출시킨다. 이때, 상기 소자분리막(106)은 상기 활성영역의 상면에 비해 높게 돌출된 부분을 포함한다. 즉, 상기 소자분리막(106)의 윗부분은 상기 돌출된 부분에 해당하고, 상기 소자분리막(106)의 아랫부분은 상기 트렌치(104)를 채운다.5A and 5B, the
이어서, 상기 반도체 기판(100) 전면 상에 스페이서막을 실질적으로 콘포말(conformal)하게 형성하고, 상기 스페이서막을 상기 활성영역이 노출될때까지 이방성 식각하여 상기 소자분리막(106)의 돌출된 부분의 측벽에 측벽 스페이서(108)를 형성한다. 상기 측벽 스페이서(108)는 상기 반도체 기판(100)에 대하여 식각선 택비를 갖는 물질로 형성한다. 예컨대, 상기 측벽 스페이서(108)는 산화막 또는 질화막으로 형성할 수 있다.Subsequently, a spacer film is substantially conformally formed on the entire surface of the
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 상기 소자분리막(106) 및 측벽 스페이서(108)를 마스크로 사용하여 상기 활성영역을 식각하여 그루브(110)를 형성한다. 상기 그루브(110)는 바닥면 및 양측면을 갖는다. 상기 그루브(110)의 양측면은 상기 바닥면과 상기 활성영역의 상면을 연결한다. 상기 그루브(110)는 상기 활성영역과 평행할 수 있다. 도 6a의 점선 "101"은 상기 활성영역의 상면을 나타낸다. 즉, 도 6a의 반도체 기판(100)의 상면은 상기 그루브(110)의 바닥면에 해당한다.6A and 6B, the
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 상기 측벽 스페이서(108)를 제거한다. 상기 측벽 스페이서(108)는 습식 식각으로 제거하는 것이 바람직하다. 상기 측벽 스페이서(108)가 산화막으로 형성되는 경우에, 상기 소자분리막(106)도 식각될 수 있다. 참조부호 106' 은 식각된 소자분리막(106')을 나타낸다. 상기 측벽 스페이서(108)가 질화막으로 형성되는 경우에, 상기 측벽 스페이서(108)를 인산으로 제거한 후에, 상기 소자분리막(106)의 높이를 낮추는 습식 식각 공정을 수행할 수도 있다.7A and 7B, the
상기 반도체 기판(100)에 산화 공정(특히, 열산화 공정) 및 산화막(특히, 열산화막)을 제거하는 습식 식각 공정을 포함하는 트리밍 공정(trimming process)을 수행하는 것이 바람직하다. 상기 트리밍 공정에 의하여 상기 그루브(110)의 상단 모서리가 둥근 형태로 형성될 수 있다. 상기 트리밍 공정은 1회 이상 수행할 수 있다.It is preferable to perform a trimming process including a wet etching process for removing an oxidation process (particularly, a thermal oxidation process) and an oxide film (particularly, a thermal oxide film) to the
상기 그루브(110)를 갖는 반도체 기판(100) 상에 제1 게이트 절연막(112)을 형성하고, 상기 제1 게이트 절연막(112) 상에 상기 그루브를 채우는 도전막을 형성한다. 상기 도전막 상에 제1 캐핑 절연막을 형성한다. 상기 제1 캐핑 절연막 및 도전막을 연속적으로 패터닝하여 차례로 적층된 제1 게이트 전극(114) 및 제1 캐핑 절연 패턴(116)을 형성한다. 이때, 상기 제1 게이트 전극(114)은 상기 제1 게이트 절연막(112)을 개재하여 상기 제1 게이트 전극(114) 아래의 상기 그루브(110)를 채운다.A first
상기 제1 게이트 절연막(112)은 산화막, 특히, 열산화막으로 형성할 수 있다. 상기 제1 게이트 전극(114)은 도핑된 반도체, 금속(ex, 텅스텐 또는 몰리브덴등), 도전성 금속질화물(ex, 질화티타늄 또는 질화탄탈늄등) 및 금속실리사이드(ex, 텅스텐실리사이드등) 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제1 캐핑 절연 패턴(116)은 산화막, 질화막 또는 산화질화막등으로 형성할 수 있다. 상기 게이트 전극(114) 양측의 제1 게이트 절연막(112)은 세정 공정등에 의하여 제거될 수 있다. 상기 제1 게이트 전극(114) 및 제1 캐핑 절연 패턴(116)은 제1 게이트 패턴에 포함된다.The first
도 8을 참조하면, 상기 제1 게이트 전극(114) 및 제1 캐핑 절연 패턴(116)을 마스크로 사용하여 제1 도펀트 이온들을 주입하여 제1 도펀트 도핑 영역(118)을 형성한다. 이어서, 상기 반도체 기판(100) 전면 상에 제1 층간 절연막(120)을 형성한다. 상기 제1 층간 절연막(120)은 산화막으로 형성할 수 있다. 상기 제1 층간 절연막(120)을 형성하기 전에, 상기 반도체 기판(100) 전면에 실질적으로 콘포말한 식각저지막(미도시함)을 형성할 수 있다. 상기 제1 층간 절연막(120)을 패터닝하여 상기 제1 도펀트 도핑 영역(118)을 노출시키는 제1 콘택홀(122)을 형성한다.Referring to FIG. 8, a first dopant doped
상기 제1 콘택홀(122)을 채우는 제1 반도체 플러그(124) 및 상기 제1 층간 절연막(120)의 전면을 덮는 제1 반도체층(126)을 형성한다. 상기 제1 반도체 플러그(124) 및 제1 반도체층(126)을 형성한 일 방법을 설명한다. 상기 노출된 제1 도펀트 도핑 영역(118)을 갖는 반도체 기판에 에피택시얼 성장 공정을 수행하여 상기 제1 콘택홀(122)을 채우는 제1 반도체 플러그(124)를 형성한다. 이때, 상기 제1 반도체 플러그(124)는 단결정 상태로 형성된다. 상기 제1 반도체 플러그(124)는 상기 제1 도펀트 도핑 영역(118)과 동일한 타입의 도펀트들에 의하여 인시츄(in-situ)로 도핑될 수 있다. 이어서, 상기 반도체 기판(100) 전면 상에 비정질 상태의 반도체층을 형성한다. 상기 비정질 상태의 반도체층은 상기 제1 반도체 플러그(124)와 접촉한다. 이어서, 상기 비정질 상태의 반도체층에 열처리를 수행한다. 상기 열처리에 의하여 상기 비정질 상태의 반도체층은 단결정 상태의 상기 제1 반도체층(126)으로 형성된다.A
이와는 다른 방법은 상기 제1 반도체 플러그(124) 및 제1 반도체층(126)을 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 콘택홀(122)을 갖는 반도체 기판(100)에 에피택시얼 성장 공정을 수행하여 상기 제1 콘택홀(122)을 채우면서 상기 제1 층간 절연막(120)의 전면을 덮는 에피택시얼층(epitaxial layer)을 형성한다. 물론, 상기 에피택시얼층은 단결정 상태로 형성된다. 이어서, 상기 에피택시얼층의 상부면을 평탄화하는 공정을 수행한다. 이때, 상기 평탄화된 에피택시얼층의 상기 제1 콘택홀(122)을 채우는 부분은 상기 제1 반도체 플러그(124)에 해당하고, 상기 평탄화 된 에피택시얼층의 상기 제1 층간 절연막(120) 상에 배치된 부분은 상기 제1 반도체층(126)에 해당한다.Alternatively, the
도 9를 참조하면, 상기 제1 반도체층(126)을 패터닝하여 상기 제1 반도체 패턴(126a)을 형성한다. 상기 제1 반도체 패턴(126a)은 상기 제1 반도체 플러그(124)와 접촉한다.Referring to FIG. 9, the
이어서, 상기 제1 반도체 패턴(126a)을 가로지르는 제2 게이트 패턴(134)을 형성한다. 상기 제2 게이트 패턴(134)은 차례로 적층된 제2 게이트 절연막(128), 제2 게이트 전극(130) 및 제2 캐핑 절연 패턴(132)을 포함한다. 상기 제2 게이트 절연막(128)은 열산화막으로 형성할 수 있다. 상기 제2 게이트 전극(130)은 도핑된 반도체, 금속(ex, 텅스텐 또는 몰리브덴등), 도전성 금속질화물(ex, 질화티타늄 또는 질화탄탈늄등) 및 금속실리사이드(ex, 텅스텐실리사이드등) 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제2 캐핑 절연 패턴(132)은 산화막, 질화막 또는 산화질화막등으로 형성할 수 있다.Subsequently, a
상기 제2 게이트 패턴(134)을 마스크로 사용하여 제2 도펀트 이온들을 주입하여 상기 제2 게이트 패턴(134) 양측의 상기 제1 반도체 패턴(126a)에 제2 도펀트 도핑 영역(136)을 형성한다.The second dopant doped
상기 반도체 기판(100) 전면 상에 제2 층간 절연막(138)을 형성한다. 상기 제2 층간 절연막(138)은 산화막으로 형성할 수 있다. 상기 제2 층간 절연막(138)을 패터닝하여 상기 제2 도펀트 도핑 영역(136)을 노출시키는 제2 콘택홀(140)을 형성한다. 상기 제2 콘택홀(140)을 채우는 제2 반도체 플러그(142) 및 상기 제2 층간 절연막(138) 상에 배치되며 상기 제2 반도체 플러그(142)와 접촉하는 제2 반도체층(144)을 형성한다. 상기 제2 반도체 플러그(142) 및 제2 반도체층(144)은 단결정 상태일 수 있다. 상기 제2 반도체 플러그(142) 및 제2 반도체층(144)을 형성하는 방법은 상술한 제1 반도체 플러그(124) 및 제1 반도체층(126)을 형성하는 방법과 동일할 수 있다. 다만, 상기 제2 반도체 플러그(142)는 도펀트에 의하여 도핑되지 않을 수도 있다.A second
도 10을 참조하면, 상기 제2 반도체층(144)을 패터닝하여 제2 반도체 패턴(144a)을 형성한다. 상기 제2 반도체 패턴(144a)을 가로지르는 제3 게이트 패턴(152)을 형성한다. 상기 제3 게이트 패턴(152)은 차례로 적층된 제3 게이트 절연막(146), 제3 게이트 전극(148) 및 제3 캐핑 절연 패턴(150)을 포함한다. 상기 제3 게이트 절연막(146)은 산화막으로 형성할 수 있다. 상기 제3 게이트 전극(148)은 도핑된 반도체, 금속(ex, 텅스텐 또는 몰리브덴등), 도전성 금속질화물(ex, 질화티타늄 또는 질화탄탈늄등) 및 금속실리사이드(ex, 텅스텐실리사이드등) 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제3 캐핑 절연 패턴(150)은 산화막, 질화막 또는 산화질화막등으로 형성할 수 있다.Referring to FIG. 10, the
상기 제3 게이트 패턴(152)을 마스크로 사용하여 제3 도펀트 이온들을 주입하여 상기 제2 반도체 패턴(144a)에 제3 도펀트 도핑 영역(153)을 형성한다. 이어서, 상기 반도체 기판(100) 전면 상에 제3 층간 절연막(154)을 형성한다. 상기 제3 층간 절연막(154)은 산화막으로 형성할 수 있다.A third dopant doped
이어서, 상기 제3, 제2 및 제1 층간 절연막들(154,138,120)을 연속적으로 패 터닝하여 도 2의 노드 콘택홀(156)을 형성한다. 이때, 상기 노드 콘택홀(156)의 측면에 상기 제1 및 제2 도펀트 도핑 영역들(136,153)이 노출된다. 특히, 상기 층간 절연막들(154,138,120)을 패터닝할 때, 상기 노드 콘택홀(156)이 형성되는 영역에 위치한 상기 제1 및 제2 도펀트 도핑 영역들(136,153)도 식각될 수 있다. 이에 더하여, 상기 제1 반도체 플러그(124)의 윗부분도 식각될 수 있다. 상기 노드 콘택홀(156)은 상기 식각된 제1 반도체 플러그(124a)를 노출시킬 수 있다. 이때, 상기 식각된 제1 반도체 플러그(124a)를 버퍼 도전 패턴(124a)이라 정의한다. 이와는 달리, 상기 노드 콘택홀(156)은 상기 제1 도펀트 도핑 영역(118)을 직접 노출시킬 수도 있다. 이어서, 상기 노드 콘택홀(156)을 채우는 도 2의 노드 콘택 플러그(158)를 형성한다. 이로써, 도 2 및 도 3에 도시된 에스램 소자를 구현할 수 있다.Subsequently, the third, second, and first
상술한 에스램 소자의 형성 방법에 있어서, 상기 그루브(110)에 의하여 상기 제1 게이트 전극(114) 아래의 채널 영역의 폭이 제한된 면적내에서 증가된다. 또한, 상기 그루브(110)은 상기 측벽 스페이서(108)에 의해서 정의된다. 즉, 상기 그루브(110)를 형성할때 포토리소그라피 공정이 요구되지 않는다. 이에 따라, 상기 그루브(110)는 포토리소그라피 공정이 정의할 수 있는 최소선폭에 비하여 더 작은 폭으로 형성될 수 있다.In the above-described method of forming the SRAM device, the width of the channel region under the
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 에스램 셀은 반도체 기판에 정의된 활성영역에 형성된 트랜지스터를 포함한다. 이때, 상기 활성영역에는 그루브가 형성되어 있으며, 상기 트랜지스터의 게이트 전극은 상기 그루브를 가로지르고, 또한, 아 래로 연장되어 상기 그루브를 채운다. 이에 따라, 상기 채널 영역의 폭은 제한된 면적내에서 증가된다. 결과적으로, 상기 트랜지스터의 평면적을 감소시킴과 더불어 상기 트랜지스터의 턴온전류량을 증가시킬 수 있다. 특히, 상기 트랜지스터가 구동 트랜지스터로 사용될 수 있다. 이로써, 에스램 셀내 노드의 전압이 반전되는 현상을 방지할 수 있다. 이에 더하여, 상기 트랜지스터 상부에 제2 및/또는 제3 트랜지스터들을 적층할 수 있다. 그 결과, 에스램 소자를 더욱 고집적화시킬 수 있다.As described above, the SRAM cell according to the present invention includes a transistor formed in an active region defined in a semiconductor substrate. In this case, a groove is formed in the active region, and the gate electrode of the transistor crosses the groove and extends downward to fill the groove. Thus, the width of the channel region is increased within the limited area. As a result, it is possible to reduce the planar area of the transistor and increase the amount of turn-on current of the transistor. In particular, the transistor can be used as a driving transistor. As a result, a phenomenon in which the voltage of the node in the SRAM cell is reversed can be prevented. In addition, second and / or third transistors may be stacked on the transistor. As a result, the SRAM element can be further integrated.
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