KR20090098176A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히 써라운드 게이트 형성 전에 폴리실리콘층과 절연막을 이용해 매립 비트라인을 형성함으로써 매립 비트라인의 저항을 감소시킬 수 있는 반도체 소자의 제조방법에 관한 기술이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method of manufacturing a semiconductor device capable of reducing the resistance of a buried bit line by forming a buried bit line using a polysilicon layer and an insulating film before forming a surround gate. .
최근 디램(DRAM)과 같은 반도체 소자의 경우, 제한된 영역에 더 많은 트랜지스터를 넣어 그 집적도를 높이는 기술이 요구되고 있다. 이를 위하여, 작은 면적에 메모리 셀 소자를 넣는 것이 가능한 수직형 트랜지스터 기술이 제안되었다. 이러한 수직형 트랜지스터는 수직형 채널을 둘러싸는 써라운드 게이트(Surrounding gate) 구조를 제공한다.Recently, in the case of semiconductor devices such as DRAMs, a technology for increasing the density of transistors by placing more transistors in a limited area is required. For this purpose, a vertical transistor technology capable of putting a memory cell element in a small area has been proposed. Such vertical transistors provide a surrounding gate structure surrounding the vertical channel.
이러한 써라운드 전극을 4F2에 형성하기 위해 채널 영역을 선택적 등방성 식각하여 채널 영역을 소스/드레인 영역에 비해 더 가늘게 만들어 우수한 소자 특성을 얻을 수 있다. 결국, 수직형 트랜지스터는 효과적으로 제한된 면적을 사용할 수 있다. 한편, 수직형 트랜지스터는 더 작은 크기의 트랜지스터를 손쉽게 만들 수 있을 것으로 기대되어 디램(DRAM)뿐만 아니라 다양한 분야의 트랜지스터로 각광을 받고 있다.In order to form the surround electrode at 4F2, the channel region is selectively isotropically etched to make the channel region thinner than the source / drain region, thereby obtaining excellent device characteristics. As a result, vertical transistors can effectively use a limited area. On the other hand, vertical transistors are expected to be able to easily make smaller transistors, and are attracting attention as transistors in various fields as well as DRAM.
도면에는 도시되지 않았으나, 일반적인 수직형 트랜지스터 형성방법을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 반도체 기판에 수직형 필러를 형성하고, 수직형 필러를 포함한 반도체 기판 상부에 게이트 절연막을 형성한다. 그 다음, 수직형 필러 사이의 반도체 기판 내에 비트라인 불순물 영역을 형성한다. 그 다음, 게이트 폴리실리콘층 형성을 포함한 일련의 패터닝 공정으로 수직형 필러를 감싸는 써라운드 게이트를 형성한다. 그 다음, 써라운드 게이트 사이에 절연막을 형성하고, 절연막, 비트라인 불순물 영역 및 반도체 기판의 일부를 선택 식각하여 분리된 매몰 비트라인(buried bitline)을 형성한다. 이후, 써라운드 게이트를 전기적으로 연결하는 워드라인을 형성한다.Although not shown in the drawings, a general vertical transistor forming method will be described below. First, a vertical pillar is formed on a semiconductor substrate, and a gate insulating layer is formed on the semiconductor substrate including the vertical pillar. Then, bit line impurity regions are formed in the semiconductor substrate between the vertical pillars. Next, a series of patterning processes, including gate polysilicon layer formation, are used to form a surround gate surrounding the vertical pillars. Next, an insulating film is formed between the surround gates, and the insulating film, the bit line impurity region, and a portion of the semiconductor substrate are selectively etched to form a buried bitline. A word line is then formed to electrically connect the surround gates.
그런데, 종래의 매립 비트라인은 불순물 주입 공정을 통해 형성하기 때문에 저항이 증가하여 메모리 셀에 저장된 데이터를 전송할 때 데이터가 손실되는 현상이 발생하는 문제가 있다. 또한, 불순물 농도가 불균일한 경우 매립 비트라인 간의 저항 차이가 발생하여 각 메모리 셀의 동작 타이밍이 일정하지 않게 된다. 그리고, 수직형 필러 상부에서 주입된 불순물로 인하여 후속의 절연 공정을 진행하더라도 게이트 폴리실리콘층과의 거리가 가까워 써라운드 게이트를 상호 절연시키기 어렵고, 써라운드 게이트와 매립 비트라인 간에 전기적 쇼트(short)가 발생할 수 있게 된다. However, since the conventional buried bit line is formed through an impurity implantation process, there is a problem in that data is lost when the data stored in the memory cell is transmitted due to an increase in resistance. In addition, when the impurity concentration is uneven, a resistance difference between buried bit lines may occur, resulting in an inconsistent operation timing of each memory cell. In addition, due to the impurity implanted from the vertical pillars, even though the subsequent insulating process is performed, the distance between the gate polysilicon layer is close and it is difficult to insulate the surround gates from each other. Can occur.
본 발명은 다음과 같은 목적을 갖는다.The present invention has the following object.
첫째, 써라운드 게이트 형성 전에 폴리실리콘층과 절연막을 이용해 매립 비트라인을 형성함으로써 매립 비트라인의 저항을 감소시킬 수 있는데 그 목적이 있다.First, the buried bit line may be formed by using a polysilicon layer and an insulating layer before the surround gate is formed to reduce the resistance of the buried bit line.
둘째, 불순물 주입 공정 대신에 균일한 폴리실리콘층으로 매립 비트라인을 형성함으로써 각 메모리 셀의 동작 타이밍을 일정하게 할 수 있는데 그 목적이 있다.Second, by forming a buried bit line with a uniform polysilicon layer instead of the impurity implantation process, the operation timing of each memory cell can be made constant.
셋째, 써라운드 게이트와 매립 비트라인 사이에 절연막을 형성함으로써 써라운드 게이트와 매립 비트라인 간에 전기적 쇼트(short) 발생을 방지할 수 있는데 그 목적이 있다. Third, by forming an insulating film between the surround gate and the buried bit line, it is possible to prevent the occurrence of an electrical short between the surround gate and the buried bit line.
본 발명에 따른 반도체 소자의 제조방법은 반도체 기판 상부에 비트라인용 물질막 및 절연막을 형성하는 단계; 상기 비트라인용 물질막 및 상기 절연막을 선택 식각하여 수직형 필러 예정영역의 상기 반도체 기판을 노출시키는 제 1 홀을 형성하는 단계; 상기 제 1 홀을 매립하는 수직형 필러를 형성하는 단계; 상기 수직형 필러 외측에 써라운드 게이트를 형성하는 단계; 및 상기 절연막 및 상기 비트라인용 물질막을 패터닝하여 분리된 매립 비트라인을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes forming a bit line material film and an insulating film on a semiconductor substrate; Selectively etching the bit line material layer and the insulating layer to form a first hole exposing the semiconductor substrate in a predetermined vertical filler region; Forming a vertical pillar filling the first hole; Forming a surround gate outside the vertical pillars; And patterning the insulating layer and the material layer for the bit line to form a separate buried bit line.
여기서, 상기 비트라인용 물질막은 폴리실리콘층으로 형성하는 것과, 상기 절연막은 질화막으로 형성하는 것과, 상기 수직형 필러 형성 공정은 상기 제 1 홀에 의해 노출된 상기 반도체 기판을 씨드층으로 하는 선택적 에피택셜 성장 방법으로 수행하는 것과, 상기 절연막 상부에 제 1 마스크층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것과, 상기 제 1 마스크층은 산화막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.The bit line material film may be formed of a polysilicon layer, the insulating film may be formed of a nitride film, and the vertical pillar forming process may include a selective epitaxial layer of the semiconductor substrate exposed by the first hole as a seed layer. And further comprising forming a first mask layer over the insulating film, wherein the first mask layer is formed of an oxide film.
그리고, 상기 제 1 마스크층 및 상기 수직형 필러 상부에 제 2 마스크층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것과, 상기 제 2 마스크층은 질화막으로 형성하는 것과, 상기 써라운드 게이트 형성 단계는 상기 제 2 마스크층 및 상기 제 1 마스크층을 선택 식각하여 상기 수직형 필러의 일부를 노출시키는 제 2 홀을 형성하는 단계; 상기 제 2 마스크층 및 노출된 상기 수직형 필러 측벽에 스페이서를 형성하는 단계; 상기 제 2 홀 저부의 상기 수직형 필러를 식각하여 리세스를 형성하는 단계; 상기 리세스 측벽에 게이트 절연막을 형성하는 단계; 상기 게이트 절연막 상부에 상기 리세스를 매립하는 도전층을 형성하는 단계; 및 상기 스페이서를 식각 마스크로 상기 도전층을 식각하는 단계를 포함한다.The method may further include forming a second mask layer on the first mask layer and the vertical pillar, forming the second mask layer using a nitride film, and forming the surround gate. Selectively etching a mask layer and the first mask layer to form a second hole exposing a portion of the vertical pillar; Forming spacers on the second mask layer and the exposed vertical pillar sidewalls; Etching the vertical pillars of the second hole bottom to form a recess; Forming a gate insulating film on the recess sidewalls; Forming a conductive layer filling the recess on the gate insulating layer; And etching the conductive layer using the spacers as an etch mask.
그리고, 상기 스페이서는 질화막으로 형성하는 것과, 상기 수직형 필러 식각 공정은 등방성 식각 방법으로 수행하는 것과, 상기 도전층은 폴리실리콘층으로 형성하는 것과, 상기 매립 비트라인 형성 단계는 상기 절연막, 상기 써라운드 게이트, 상기 스페이서 및 상기 제 2 마스크층 상부에 제 1 절연막을 형성하는 단계; 상기 제 1 절연막 상부에 제 2 절연막을 형성하여 상기 제 2 홀을 매립하는 단계; 상기 제 2 마스크층이 노출될 때까지 상기 제 2 및 제 1 절연막을 평탄화 식각하는 단계; 및 상기 제 2 및 제 1 절연막, 상기 절연막, 상기 비트라인용 물질막 및 상기 반도체 기판의 일부를 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The spacer may be formed of a nitride film, the vertical pillar etching process may be performed by an isotropic etching method, the conductive layer may be formed of a polysilicon layer, and the buried bitline may be formed by the insulating film, Forming a first insulating layer on the round gate, the spacer, and the second mask layer; Filling the second hole by forming a second insulating film on the first insulating film; Planarization etching the second and first insulating layers until the second mask layer is exposed; And etching portions of the second and first insulating layers, the insulating layer, the bit line material layer, and the semiconductor substrate.
본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.The present invention provides the following effects.
첫째, 써라운드 게이트 형성 전에 폴리실리콘층과 절연막을 이용해 매립 비트라인을 형성함으로써 매립 비트라인의 저항을 감소시킬 수 있는 효과를 제공한다.First, by forming the buried bit line using the polysilicon layer and the insulating layer before forming the surround gate, the resistance of the buried bit line is reduced.
둘째, 불순물 주입 공정 대신에 균일한 폴리실리콘층으로 매립 비트라인을 형성함으로써 각 메모리 셀의 동작 타이밍을 일정하게 할 수 있는 효과를 제공한다.Second, by forming the buried bit line with a uniform polysilicon layer instead of the impurity implantation process, the operation timing of each memory cell can be made constant.
셋째, 써라운드 게이트와 매립 비트라인 사이에 절연막을 형성함으로써 써라운드 게이트와 매립 비트라인 간에 전기적 쇼트(short) 발생을 방지할 수 있는 효과를 제공한다.Third, an insulating film is formed between the surround gate and the buried bit line, thereby providing an effect of preventing an electrical short between the surround gate and the buried bit line.
아울러 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다. In addition, a preferred embodiment of the present invention is for the purpose of illustration, those skilled in the art will be able to various modifications, changes, substitutions and additions through the spirit and scope of the appended claims, such modifications and changes are the following claims It should be seen as belonging to a range.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail an embodiment of the present invention.
도 1 내지 도 12는 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조방법을 도시한 단면도이다.1 to 12 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention.
도 1을 참조하면, 반도체 기판(100) 상부에 비트라인용 물질막(102), 제 1 절연막(104) 및 제 1 마스크층(106)을 형성한다. 여기서, 비트라인용 물질막(102)은 폴리실리콘층으로 형성하고, 제 1 절연막(104)은 질화막으로 형성하며, 제 1 마스크층(106)은 산화막으로 형성하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 1, a bit
도 2를 참조하면, 제 1 마스크층(106), 제 1 절연막(104) 및 비트라인용 물질막(102)을 선택 식각하여 수직형 필러 예정영역의 반도체 기판(100)을 노출시키는 제 1 홀(108)을 형성한다.Referring to FIG. 2, a first hole exposing the
도 3을 참조하면, 제 1 홀(108)에 의해 노출된 반도체 기판(100)을 씨드층으로 반도체 기판(100) 상부에 수직형 필러(110)를 형성하여 활성영역을 정의한다. 여기서, 수직형 필러(110)는 선택적 에피택셜 성장 방법(SEG; Selective Epitaxial Growth)으로 형성하는 것이 바람직하다. 그 다음, 제 1 마스크층(106)이 노출될 때까지 수직형 필러(110)를 평탄화 식각한다. Referring to FIG. 3, an active region is defined by forming a
도 4를 참조하면, 제 1 마스크층(106) 및 수직형 필러(110) 상부에 제 2 마스크층(112)을 형성한다. 여기서, 제 2 마스크층(112)은 질화막으로 형성하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 4, a
도 5를 참조하면, 제 2 마스크층(112) 및 제 1 마스크층(106)의 일부를 선택 식각하여 수직형 필러(110)를 노출시키는 제 2 홀(114)을 형성한다. 이때, 식각되 는 제 1 마스크층(106)의 두께는 후속 써라운드 게이트의 크기에 따라 조절되는 것이 바람직하다. 그리고, 제 2 및 제 1 마스크층(112, 106)의 식각 공정은 이방성 식각 방법으로 수행하는 것이 바람직하다. Referring to FIG. 5, the
도 6을 참조하면, 제 2 홀(114)을 포함한 제 2 마스크층(112) 상부에 제 2 절연막(미도시)을 형성하고, 제 2 절연막을 선택 식각하여 제 2 마스크층(112) 및 수직형 필러(110) 측벽에 스페이서(116)를 형성한다. 여기서, 제 2 절연막은 질화막으로 형성하는 것이 바람직하며, 후속 등방성 식각 공정에서 식각 정지막 역할을 수행한다. 그리고, 제 2 절연막의 식각 공정은 에치백(Etch back) 방법으로 수행하는 것이 바람직하다. Referring to FIG. 6, a second insulating layer (not shown) is formed on the
도 7을 참조하면, 제 1 절연막(104)이 노출될 때까지 제 2 홀(114) 저부의 제 1 마스크층(106) 및 수직형 필러(110)를 식각하여 리세스(118)를 형성한다. 여기서, 제 1 마스크층(106) 및 수직형 필러(110)의 식각 공정은 등방성 식각 방법으로 수행하는 것이 바람직하다. 이때, 제 1 절연막(104)은 제 1 마스크층(106)과 식각 선택비 차이로 인해 식각되지 않는다. Referring to FIG. 7, the
도 8을 참조하면, 리세스(118) 측벽에 게이트 절연막(120)을 형성한다. 여기서, 게이트 절연막(120) 형성 공정은 열산화(thermal oxidation), 화학기상증착(chemical-vapor-deposition) 및 화학적산화(chemical oxide) 방법 중 선택된 방법으로 형성하는 것이 바람직하다. Referring to FIG. 8, a
도 9를 참조하면, 게이트 절연막(120), 수직형 필러(110) 상부에 도전층(미도시)을 형성하여 리세스(118)를 매립한다. 여기서, 상기 도전층은 폴리실리콘층으 로 형성하는 것이 바람직하다. 그 다음, 제 2 마스크층(112)을 식각 마스크로 상기 도전층을 식각하여 수직형 필러(110)를 감싸는 써라운드 게이트(Surrounding gate)(122)를 형성한다.9, the
도 10을 참조하면, 제 1 절연막(104), 써라운드 게이트(122), 스페이서(116) 및 제 2 마스크층(112) 상부에 제 3 절연막(124)을 형성한다. 여기서, 제 3 절연막(124)은 질화막으로 형성하며, 후속 공정들에서 써라운드 게이트(122)를 보호하는 보호막 역할을 수행한다. Referring to FIG. 10, a third
도 11을 참조하면, 제 3 절연막(124) 상부에 제 4 절연막(126)을 형성하여 써라운드 게이트(122) 사이를 매립하고, 제 2 마스크층(112)이 노출될 때까지 제 4 절연막(126)을 평탄화 식각한다. 여기서, 제 4 절연막(126)의 평탄화 공정은 화학적 기계적 연마(CMP) 방법 또는 에치백(Etch back) 방법으로 수행하는 것이 바람직하다. Referring to FIG. 11, a fourth
도 12를 참조하면, 제 4 절연막(126), 제 1 절연막(104), 비트라인용 물질막(102) 및 반도체 기판(100)의 일부를 식각하여 분리된 매립 비트라인(102a)을 형성한다. Referring to FIG. 12, portions of the fourth insulating
즉, 본 발명은 써라운드 게이트(122) 형성 전에 비트라인용 물질막(102)을 형성함으로써 종래의 불순물 주입으로 형성된 매립 비트라인 보다 저항을 감소시킬 수 있다. 그리고, 균일한 폴리실리콘층으로 매립 비트라인(102a)을 형성함으로써 매립 비트라인(102a) 간에 저항 차이가 발생하지 않아 각 셀의 동작 타이밍이 일정할 수 있다. 또한, 제 1 절연막(104)에 의해 써라운드 게이트(122)와 매립 비트라 인(102a)을 전기적으로 절연시킬 수 있다.In other words, the present invention can reduce the resistance of the buried bit line formed by the impurity implantation by forming the
도 1 내지 도 12는 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조방법을 도시한 단면도.1 to 12 are cross-sectional views showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention.
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