KR20090081603A - Method of fabricating self-aligned three dimensional transistor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 3차원 트랜지스터의 자기정렬 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나노와이어 채널 상에 3차원 게이트를 정렬하여 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of manufacturing self-alignment of a three-dimensional transistor, and more particularly, to a method of manufacturing by aligning the three-dimensional gate on the nanowire channel.
고집적 로직회로의 단위소자인 MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor)는 성능 및 집적도 향상을 위해 스케일링 다운(scaling down)이진행 중이다. MOSFET의 스케일링 다운(scaling down)이 진행될수록 소스와 드레인 사이의 거리가 짧아져서 드레인 필드(drain field)가 채널에 인가되는 게이트(gate) 필드(field)를 변조시키는 현상인 short channel effect가 나타나다. 이로 인해서, 게이트의 채널 제어능력(channel controllability)이 낮아진다. 이 현상은 punch-through나 DIBL(drain-induced barrier lowering), threshold voltage roll-off와 같은 전기적 특성으로 나타난다. Metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs), which are unit devices of highly integrated logic circuits, are being scaled down to improve performance and integration. As the scaling down of the MOSFET progresses, the distance between the source and the drain becomes shorter, resulting in a short channel effect, a phenomenon in which a drain field modulates a gate field applied to a channel. This lowers the channel controllability of the gate. This phenomenon is manifested by electrical characteristics such as punch-through, drain-induced barrier lowering (DIBL), and threshold voltage roll-off.
숏채널효과(short channel effect: SCE)는 아주 짧은 게이트 길이, 예컨대 50 nm 이하의 게이트 길이를 가진 트랜지스터에서 심하게 나타나며, 이로 인해 트 랜지스터의 기본 기능인 스위칭 기능이 훼손될 수 있다. 이의 해결을 위해 채널 도핑(channel doping), ultra-shallow junction, 게이트 유전체 씨닝(gate dielectric thinning) 등의 방법이 사용되나 random doping problem, gate leakage와 같은 부수적인 문제로 한계가 있다. The short channel effect (SCE) is severe in transistors with very short gate lengths, eg gate lengths of less than 50 nm, which can undermine the switching function, which is the basic function of transistors. To solve this problem, channel doping, ultra-shallow junction, gate dielectric thinning, etc. are used. However, there are limitations such as random doping problem and gate leakage.
다양한 3차원의 복수 게이트 트랜지스터(multiple gate transistors)가 이 문제를 해결하기 위해 제시되었다. 이중 게이트를 포함하는 FinFET, 트리-게이트 트랜지스터(tri-gate transistor), 게이트 올 어라운드 트랜지스터(gate-all-around transistor)가 그 예들로 이들은 모두 채널의 복수면에서 채널을 제어하므로 게이트 제어성(gate controllability)이 증가한다. Various three-dimensional multiple gate transistors have been proposed to solve this problem. FinFETs with double gates, tri-gate transistors, and gate-all-around transistors are examples, all of which control the channel on multiple sides of the channel, resulting in gate controllability. ) Increases.
특히, 숏채널 트랜지스터는 채널의 직경이 작은 나노와이어이며, 이러한 트랜지스터의 제조시, 게이트의 오정렬로 게이트 제어성이 감소될 수 있다. 또한, 게이트 폭이 채널 폭 보다 좁은 경우 게이트의 패터닝 과정에서 채널이 파손될 수 있다. 또한, 게이트를 소스 및 드레인에 걸쳐서 정렬되게 제조하기가 어려우며, 평탄화공정으로 게이트의 높이를 한정하기가 어렵다. In particular, the short channel transistor is a nanowire having a small diameter of a channel, and in manufacturing such a transistor, gate controllability may be reduced due to misalignment of the gate. In addition, when the gate width is narrower than the channel width, the channel may be broken during the patterning of the gate. In addition, it is difficult to fabricate the gate so that it is aligned across the source and drain, and it is difficult to limit the height of the gate by the planarization process.
본 발명은 나노와이어 채널을 구비한 숏채널 트랜지스터의 제조시 게이트의 위치를 채널 상에 자기정렬하면서 게이트의 높이를 용이하게 한정하는 제조방법을 제공한다. The present invention provides a manufacturing method for easily defining the height of the gate while self-aligning the position of the gate on the channel in manufacturing a short channel transistor having a nanowire channel.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 트랜지스터의 자기정렬 제조방법은:Self-aligned manufacturing method of the three-dimensional transistor according to an embodiment of the present invention:
제1 절연층 상에 실리콘층을 구비한 기판 상에 소스 형성영역, 드레인 형성영역 및 채널 형성영역의 형상을 가지는 마스크를 형성하는 제1단계;Forming a mask having a shape of a source forming region, a drain forming region, and a channel forming region on a substrate having a silicon layer on the first insulating layer;
상기 마스크로 상기 실리콘층을 패터닝하는 제2단계;Patterning the silicon layer with the mask;
상기 채널형성영역 상의 상기 마스크를 식각하고, 상기 채널형성영역의 하부에 언더컷을 형성하는 제3단계;Etching the mask on the channel forming region and forming an undercut under the channel forming region;
상기 채널형성영역을 열산화하여 나노와이어 채널을 형성하는 제4단계;A fourth step of thermally oxidizing the channel forming region to form a nanowire channel;
상기 나노와이어 채널 상에 게이트 산화막을 형성하는 제5단계:A fifth step of forming a gate oxide layer on the nanowire channel;
상기 기판 상에 상기 마스크를 덮는 게이트 물질을 증착하는 제6단계;Depositing a gate material overlying the mask on the substrate;
상기 게이트 물질을 상기 마스크를 정지층으로 하여 평탄화하여 게이트를 형성하는 제7단계;A seventh step of forming a gate by planarizing the gate material using the mask as a stop layer;
상기 마스크를 제거하는 제8단계; 및An eighth step of removing the mask; And
상기 기판 상으로부터 불순물을 조사하여 소스 및 드레인을 형성하는 제9단계;를 구비한다. And a ninth step of forming a source and a drain by irradiating impurities from the substrate.
본 발명에 따르면, 상기 마스크는,According to the invention, the mask,
상기 실리콘층 상의 제2절연층과 상기 제2절연층 상의 실리콘 나이트라이드층으로 이루어진다. A second insulating layer on the silicon layer and a silicon nitride layer on the second insulating layer.
상기 제2단계는, 상기 마스크 측면에 제3절연층을 형성하는 단계; The second step may include forming a third insulating layer on a side of the mask;
상기 기판 상에서 상기 채널형성영역에 대응되는 영역을 노출시키는 포토레지스트를 형성하는 단계; 및 Forming a photoresist exposing a region corresponding to the channel formation region on the substrate; And
상기 포토레지스트에 노출된 상기 제3절연층을 식각하는 단계;를 더 구비할 수 있다. And etching the third insulating layer exposed to the photoresist.
상기 제3절연층 형성단계는:The third insulating layer forming step is:
상기 기판을 덮는 상기 제3절연층을 형성하는 단계; 및 Forming the third insulating layer covering the substrate; And
상기 제3절연층을 평탄화하여 상기 마스크의 상면을 노출시키는 단계;를 구비할 수 있다. And planarizing the third insulating layer to expose an upper surface of the mask.
상기 마스크의 상면의 노출 단계는, Exposing the upper surface of the mask,
상기 제3절연층 및 상기 마스크 상으로 제2 실리콘 나이트라이드층을 형성하는 단계;를 더 포함하며,And forming a second silicon nitride layer on the third insulating layer and the mask.
상기 제3절연층 식각단계는, 상기 포토레지스트에 노출된 상기 제2 실리콘 나이트라이드층을 식각하는 단계;를 포함하며, The etching of the third insulating layer may include etching the second silicon nitride layer exposed to the photoresist.
상기 제7단계 및 상기 제8단계의 상기 마스크는 상기 제2 실리콘 나이트라이드층을 포함할 수 있다. The masks of the seventh and eighth steps may include the second silicon nitride layer.
본 발명에 따르면, 상기 제3단계는, According to the invention, the third step,
노출된 상기 제2절연층의 측면을 식각하는 것을 포함한다. Etching side surfaces of the exposed second insulating layer.
그리고, 상기 제4단계는, 상기 기판을 열처리하여 또는 전기화학법으로 상기 채널영역의 표면에 산화물 희생층을 형성하는 단계; 및The fourth step may include forming an oxide sacrificial layer on the surface of the channel region by heat-treating the substrate or by electrochemical method; And
상기 산화물 희생층을 제거하는 단계;를 더 구비할 수 있다. And removing the oxide sacrificial layer.
상기 제6단계는, 폴리실리콘을 증착하는 단계일 수 있다. The sixth step may be depositing polysilicon.
본 발명에 따르면, 상기 제4단계는,According to the present invention, the fourth step,
상기 언더컷 및 상기 측면식각에 의해 노출된 상기 소스형성영역 및 상기 드레인 영역의 표면에 산화물 희생층을 형성하고 제거하는 단계;를 더 구비하며, And forming and removing an oxide sacrificial layer on surfaces of the source forming region and the drain region exposed by the undercut and the side etching.
상기 제5단계는, 노출된 상기 소스형성영역 및 상기 드레인 영역의 표면에 게이트 산화막을 형성하는 것을 포함하며, The fifth step includes forming a gate oxide film on the exposed surfaces of the source forming region and the drain region,
상기 제6단계는, 상기 게이트 물질을 상기 소스형성영역 및 상기 드레인 형성영역에 오버래핑되게 형성하한다. In the sixth step, the gate material is formed to overlap the source forming region and the drain forming region.
본 발명에 따르면, 제9단계는, 상기 기판 상으로부터 불순물을 저농도로 조사하여, 상기 채널과 접촉하는 소스영역 및 드레인 영역에 저농도로 도핑된 LDD(low doped drain)영역을 형성하는 단계; 및 According to the present invention, the ninth step may include: irradiating impurities from the substrate at low concentration to form a low doped drain (LDD) region in the source region and the drain region in contact with the channel; And
상기 기판 상으로부터 불순물을 고농도로 조사하여 소스 및 드레인을 형성하는 단계;를 구비할 수 있다. Irradiating impurities at a high concentration on the substrate to form a source and a drain.
본 발명에 따르며, 상기 소스 및 드레인 형성단계는, According to the present invention, the source and drain forming step,
상기 기판 상으로 제3 실리콘 나이트라이드 층을 형성하는 단계; 및Forming a third silicon nitride layer on the substrate; And
상기 제3 실리콘 나이트라이드층을 건식 식각하여 게이트의 양측에 스페이서를 형성하는 단계;를 더 구비할 수 있다. Dry etching the third silicon nitride layer to form spacers on both sides of the gate.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 3차원 트랜지스터의 자기정렬 제조방법을 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.Hereinafter, a method of manufacturing self-alignment of a 3D transistor according to an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In this process, the thicknesses of layers or regions illustrated in the drawings are exaggerated for clarity.
도 1a 내지 도 1j는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 트랜지스터의 자기정 렬 제조방법을 단계별로 보여주는 도면들이다. 1A to 1J are diagrams illustrating a step-by-step method of manufacturing a self-alignment of a 3D transistor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 1a를 참조하면, 절연층(112), 예컨대 실리콘 옥사이드층 위에 실리콘층(114)이 형성된 기판(110)을 마련한다. 실리콘층(114)은 소스, 드레인 및 채널로 되는 층이다. 실리콘층(114)은 대략 20-100 nm 높이로 형성한다. 절연층(112)은 140 nm 두께로 형성될 수 있다. 상기 기판(110)은 SOI 기판일 수 있다. Referring to FIG. 1A, a
계속해서 실리콘층(114) 상에 마스크층(120)을 형성한다. 마스크층(120)은 실리콘층(114) 상의 버퍼층(122) 및 실리콘 나이트라이드층(124)일 수 있다. 버퍼층(122)은 실리콘 옥사이드로 이루어질 수 있다. 버퍼층(122)은 대략 15 nm 두께로 형성될 수 있으며, 실리콘 나이트라이드층(124)은 200 nm 두께로 형성될 수 있다. Subsequently, the
도 1b를 참조하면, 마스크층(120)을 패터닝하여 소스영역, 채널영역 및 드레인 영역을 형성한다. 이어서, 패터닝된 마스크층(120)을 이용하여 실리콘층(114)을 건식식각하여 소스형성부분(115), 채널형성부분(116) 및 드레인 형성부분(117)을 만든다. 채널형성부분(116)은 핀(fin) 형상이 되며, 그 폭(W)은 5~50 nm 로 형성될 수 있다. Referring to FIG. 1B, the
도 1c를 참조하면, 도 1b의 결과물에서 기판(110) 상으로 패터닝된 부분을 덮는 절연층(미도시)을 증착한다. 절연층은 실리콘 옥사이드로 대략 500 nm 두께로 형성될 수 있다. Referring to FIG. 1C, an insulating layer (not shown) covering the patterned portion on the
이어서, 상기 절연층을 CMP(chemical mechanical polishing) 공정으로 평탄화하여 패터닝된 실리콘 나이트라이드층(124)을 노출시킨다. 패터닝된 층(114, 122, 124)의 측면에는 절연층(130)이 형성된다. Next, the insulating layer is planarized by a chemical mechanical polishing (CMP) process to expose the patterned
도 1d를 참조하면, 기판(110) 상으로 제2 실리콘 나이트라이드층(140)을 대략 100 nm 두께로 증착한다. 이러한 제2 실리콘 나이트라이드층(140)은 후술하는 식각과정에서 절연층(130)의 식각을 방지한다. 이어서, 기판(110) 상에서 포토레지스트(150)를 형성한 후, 채널형성영역(116)에 대응되는 영역을 노출시키도록 포토레지스트(150)를 패터닝한다. 이어서, 포토레지스트(150)에 노출된 제2 실리콘 나이트라이드층(140) 및 절연층(130)을 순차적으로 건식 식각한다. 도 1d에서는 편의상 드레인 형성영역과 소스형성영역의 양단부에서의 구조를 보여주도록 도시하였다. Referring to FIG. 1D, a second
도 1e는 도 1d의 A-A 선단면을 기준으로 그린 단면도이다. 도 1e를 참조하면, 채널형성영역(116) 상의 실리콘 나이트라이드층(도 1d의 124)을 건식 식각한 후, 노출된 영역을 습식식각하여 채널 형성부분(116)의 하부에 언더컷을 형성한다. 이때, 채널 형성부분(116)과 연결되는 소스 형성영역(115) 및 드레인 형성영역(117)의 상부(122A)도 일부 측면 식각이 된다. 이에 따라 채널 형성부분(116)이 소스 형성부분(115)과 드레인 형성부분(117) 사이에 현수된 상태로 되며, 따라서 채널형성부분(116)은 위, 아래로 노출된다. 이러한 채널형성부분(116)의 구조는 나노와이어의 형성과, 나아가서 3차원적 게이트 구조를 가능하게 한다. FIG. 1E is a cross-sectional view taken along the line A-A of FIG. 1D. Referring to FIG. 1E, after the
도 1f를 참조하면, 기판(110)을 건식 산화하여 채널형성부분(116)의 표면과 위의 측면 식각에 의해서 노출된 소스형성부분(115)과 드레인 형성부분(117)의 일부를 산화시킨다. 참조번호 116'는 열산화된 부분이다. 이러한 건식 산화는 대략 875 ~ 950 ℃에서 대략 5~10 시간 열처리하여 대략 1~5 nm 두께의 산화막(116')을 형성할 수 있다. 상기 산화막(116')은 전기화학적 방법으로 형성될 수도 있다. Referring to FIG. 1F, the
이어서, 산화막(116')을 습식 식각으로 제거하면 나노와이어 채널(118)이 형성된다. 이어서, 채널(118)과 노출된 영역의 소스형성영역(115) 및 드레인 형성영역(117)에 게이트 산화막(160)을 형성한다. 게이트 산화막(160)은 3~4 nm 두께로 실리콘 옥사이드로 형성될 수 있다. Subsequently, when the
도 1g를 참조하면, 기판(110) 상으로 폴리 실리콘(170)을 화학 기상 증착법으로 대략 400 nm 두께로 형성한다. 그리고 in-situ 로 폴리 실리콘(170)에 불순물을 도핑하거나 또는 추후 별개의 공정으로 폴리실리콘(170)에 불순물을 임플랜테이션할 수 있다. 이 과정에서, 채널(118)의 주위를 감싸는 폴리실리콘(170)이 형성된다. 또한, 폴리실리콘(170)은 절연층(122)의 측면 식각된 부분(122A)과 언더컷된 부분까지 채워서 형성되므로, 폴리실리콘(170)의 부분(170A, 170B)은 소스 형성부분(115) 및 드레인 형성부분(117)과 오버래핑되게 형성된다. 이는 결국 게이트가 소스 및 드레인에 오버래핑되게 형성되게 한다. Referring to FIG. 1G,
도 1h를 참조하면, 실리콘 나이트라이드층(140)을 CMP 저지층으로 하여 폴리실리콘(170)을 CMP 공정으로 평탄화하여 게이트(172)를 형성한다. 실리콘 나이트라이드층(124, 140)은 게이트(172)의 높이를 한정한다. 따라서, 본 발명에 따르면 게이트(172)의 높이를 조절하기가 용이하다. Referring to FIG. 1H, the
도 1i를 참조하면, 기판(110) 상에서 제2절연층(도 1d의 130 참조)과 실리콘 나이트라이드층(140, 124)을 각각 선택적으로 제거한다. 이러한 공정은 건식 식각 공정을 사용할 수 있다. 이어서, 불순물을 기판(110) 상방으로부터 저농도, 예컨대 1015 원자/cm3 농도로 도핑하면, 소스형성영역(115) 및 드레인 형성영역(117)에서 게이트(172)의 부분(170A)의 하부에 저농도 영역(low doped drain: LDD)(180)이 형성된다. 이와 같은 LDD 영역(180)의 형성은 본 발명에서의 부분(170A)에 의해 용이하게 형성될 수 있으며, 특히 도핑시 소정 각도로 도핑하여 LDD 영역(180)를 형성할 수 있다. 이러한 LDD 영역은 junction 내에서 field의 강도를 조절하여 short channel effects를 개선하고 hot carrier를 감소 시키는 역할을 한다.Referring to FIG. 1I, a second insulating layer (see 130 of FIG. 1D) and silicon nitride layers 140 and 124 are selectively removed on the
도 1j를 참조하면, 기판(110) 상에 실리콘 나이트라이드층(미도시)을 소정 두께로 증착한 후, 이방성 식각을 하여 게이트(172)의 양측에 스페이서(190)를 형성한다. 이어서, 기판(110) 상으로부터 불순물을 고농도, 예컨대 1015 원자/cm3 농도로 임플랜테이션하여 소스(115') 및 드레인(117')을 형성한다. 이러한 스페이서 형성과정은 LDD 영역(180)을 제외한 영역을 효과적으로 임플랜테이션하기 위한 것이지만, 도 1i의 과정에서 스페이서 형성없이 고농도로 임플랜테이션 함으로써 소스 및 드레인을 형성할 수도 있다. Referring to FIG. 1J, after depositing a silicon nitride layer (not shown) on the
본 발명의 실시예에 따른 트랜지스터의 제조방법에 따르면, 채널형성에 이어서 게이트 형성을 하므로 별도의 패터닝 공정 없이 게이트를 채널 상에 자동정렬되게 한다. 또한, 게이트 형성과정이 식각과정없이 평탄화 공정으로 이루어지며, 평탄화 과정에서도 마스크층을 평탄화 정지층으로 사용하므로 게이트 높이를 한정하기가 용이하다. 또한, 게이트가 소스 및 드레인에 오버래핑되게 자동정렬되므로 트랜지스터의 게이트 제어성이 향상될 수 있다. According to the method of manufacturing a transistor according to an embodiment of the present invention, the gate is formed after the channel is formed so that the gate is automatically aligned on the channel without a separate patterning process. In addition, the gate forming process is a planarization process without an etching process, and in the planarization process, since the mask layer is used as the planarization stop layer, it is easy to limit the gate height. In addition, the gate controllability of the transistor can be improved because the gate is automatically aligned to overlap the source and drain.
본 발명은 도면을 참조하여 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments with reference to the drawings, this is merely exemplary, it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined only by the appended claims.
도 1a 내지 도 1j는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 트랜지스터의 자기정렬 제조방법을 단계별로 보여주는 도면들이다. 1A to 1J are diagrams illustrating a step-by-step method of manufacturing a self-alignment of a 3D transistor according to an exemplary embodiment of the present invention.
Claims (12)
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2008
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