KR20100042968A - Semiconductor device having stacked array structure and fabrication method for the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스위칭 소자 뿐만 아니라 메모리 소자에도 응용될 수 있는 적층 어레이 구조(STAR 구조: STacked ARray 구조, 이하 '스타 구조'라 함)를 갖는 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a semiconductor having a stacked array structure (a star structure: a star structure), which can be applied to not only a switching device but also a memory device. An element and a method of manufacturing the same.
현재, 스위칭 소자로 사용되는 MOSFET은 대부분 평면형(planar type) 구조이어서, 이를 1T-DRAM 등 메모리 어레이 스위칭 소자로 사용하기 위해서는 많은 면적을 차지하여, 상기 메모리 어레이를 고집적화 하기에는 일정한 한계가 있어왔다.Currently, since MOSFETs used as switching elements are mostly planar type structures, they occupy a large area in order to use them as memory array switching elements such as 1T-DRAM, and there have been certain limitations to high integration of the memory arrays.
또한, 메모리 셀로 사용되는 메모리 소자도 대부분 평면형(planar type) 구조이어서 상기와 같은 문제점이 있고, 이를 개선하고자 수직채널을 갖는 다양한 형태의 메모리 소자들이 개발되고 있으나, 지금까지 개발된 메모리 소자들은 단층의 비트 라인과 워드 라인 사이에 연결된 것이어서, 종래 메모리 소자로 메모리 어레이를 고집적화 하기에는 일정한 한계가 있을 수밖에 없는 문제점이 있었다.In addition, since most of the memory devices used as memory cells have a planar type structure, there are problems as described above. To improve this, various types of memory devices having vertical channels have been developed. Since it is connected between the bit line and the word line, there is a problem that there is a certain limit to the high-density integration of the memory array with a conventional memory device.
상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 수직채널을 가지면서도 채널의 폭을 얼마든지 크게 할 수 있고, 필요에 따라 싱글 게이트(Single Gate), 더블 게이트(Double Gate) 및 게이트 올 어라운드(Gate All Around: GAA)로 구현될 수 있는 스타 구조를 갖는 반도체 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.In order to solve the problems of the prior art, it is possible to increase the width of the channel as much as possible while having a vertical channel, Single Gate, Double Gate and Gate All Around as needed. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device having a star structure which can be realized by GAA, and a method of manufacturing the same.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 스타 구조를 갖는 반도체 소자는 기판으로부터 떨어져 수직하게 일정거리 이격되며 하나 이상 적층된 반도체층과; 상기 각 반도체층 상에 게이트 절연막을 사이에 두고 상기 반도체층 모두를 지나며 형성된 게이트와; 상기 각 반도체층에서 상기 게이트 양측으로 형성된 소스 및 드레인과; 상기 각 반도체층의 소스 및 드레인을 각각 둘러싸거나, 상기 각 반도체층 주위의 빈 공간에 채워진 층간 절연막을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the semiconductor device having a star structure according to the present invention comprises a semiconductor layer laminated at least one distance apart vertically spaced apart from the substrate; A gate formed through each of the semiconductor layers with a gate insulating film interposed therebetween on each of the semiconductor layers; A source and a drain formed on both sides of the gate in each of the semiconductor layers; And an interlayer insulating film surrounding the source and the drain of each of the semiconductor layers or filled in an empty space around each of the semiconductor layers.
그리고, 본 발명에 의한 스타 구조를 갖는 반도체 소자의 제조방법은 소정의 기판상에 "적층매개층->반도체층"을 n번 반복 형성시킨 후, n번째 반도체층 상부에 n+1번째 적층매개층을 한번 더 형성시킨 다음, 상기 n+1번째 적층매개층 상부에 식각 마스크 물질을 증착시키는 제 1 단계와; 상기 식각 마스크 물질을 패터닝한 후, 이를 제 1 식각 마스크로 하여 상기 n+1번째 적층매개층부터 상기 n번 적층된 "반도체층/적층매개층"을 순차 식각하여 기둥 형상의 적층 구조를 형성하는 제 2 단계 와; 상기 제 1 식각 마스크를 제거하고, 상기 기둥 형상의 적층 구조 상에 게이트 절연막을 형성하는 제 3 단계와; 상기 기판 전면에 게이트 물질을 증착후 제 2 식각 마스크로 상기 게이트 물질을 식각하여 게이트를 형성하는 제 4 단계와; 상기 게이트 물질 식각으로 드러난 상기 게이트 절연막을 제거한 다음, 소스/드레인을 형성하는 제 5 단계와; 상기 n+1개의 적층매개층 모두를 제거한 다음, 드러난 구조물의 빈 공간을 층간 절연막으로 채우는 제 6 단계를 포함하여 구성되거나,In the method for fabricating a semiconductor device having a star structure according to the present invention, n < 1 < th > Forming a layer one more time, and then depositing an etch mask material on the n + 1th stacking layer; Patterning the etch mask material and sequentially etching the n + 1 < th > lamination layer " n " semiconductor layer / lamination media " to form the columnar stack structure by using the etching mask material as a first etch mask. A second step; Removing the first etching mask and forming a gate insulating layer on the columnar stacked structure; A fourth step of forming a gate by etching the gate material with a second etching mask after depositing a gate material on the entire surface of the substrate; Removing the gate insulating film exposed by the gate material etching, and then forming a source / drain; A sixth step of removing all of the n + 1 lamination media layers and then filling an empty space of the exposed structure with an interlayer insulating film, or
소정의 기판상에 "적층매개층->반도체층"을 n번 반복 형성시킨 후, n번째 반도체층 상부에 n+1번째 적층매개층을 한번 더 형성시킨 다음, 상기 n+1번째 적층매개층 상부에 식각 마스크 물질을 증착시키는 제 1 단계와; 상기 식각 마스크 물질을 패터닝한 후, 이를 제 1 식각 마스크로 하여 상기 n+1번째 적층매개층부터 상기 n번 적층된 "반도체층/적층매개층"을 순차 식각하여 기둥 형상의 적층 구조를 형성하는 제 2 단계와; 상기 기판 전면에 홈충전물질을 증착한 후 상기 제 1 식각 마스크가 드러나도록 평탄화시킨 다음, 제 2 식각 마스크를 형성하는 제 3 단계와; 상기 제 2 식각 마스크를 이용하여 상기 제 2 식각 마스크 사이에 드러난 상기 홈충전물질을 식각하여 칸막이를 형성하고, 상기 칸막이 양측으로 상기 제 2 단계의 적층 구조 일부가 드러나게 한 다음, 상기 제 2 식각 마스크를 제거하는 제 4 단계와; 상기 드러난 적층 구조의 적층매개층을 식각하여 상기 칸막이 양측으로 상기 제 1 식각 마스크 및 상기 반도체층만 드러나게 하는 제 5 단계와; 상기 칸막이 양측으로 드러난 상기 반도체층에 게이트 절연막을 형성시키는 제 6 단계와; 상기 기판 전면에 게이트 물질을 증착한 다음, 상기 제 1 식각 마스크가 드러나도록 평탄 화시킨 후, 상기 제 1 식각 마스크를 제거하는 제 7 단계와; 상기 칸막이를 제거하고 상기 칸막이 제거로 드러난 상기 반도체층에 소스/드레인을 형성하는 제 8 단계와; 상기 구조의 빈 공간에 층간 절연막으로 채우는 제 9 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.After the n < 1 > layer-> semiconductor layer is repeatedly formed n times on a predetermined substrate, the n + 1 < th > Depositing an etch mask material thereon; Patterning the etch mask material and sequentially etching the n + 1 < th > lamination layer " n " semiconductor layer / lamination media " to form the columnar stack structure by using the etching mask material as a first etch mask. A second step; Depositing a groove filling material on the entire surface of the substrate, and then planarizing the first etching mask to reveal the second etching mask; By using the second etching mask, the groove filling material exposed between the second etching masks is etched to form a partition, and the part of the stacked structure of the second step is exposed to both sides of the partition, and then the second etching mask. Removing the fourth step; A fifth step of etching the laminated layer of the exposed stacked structure to expose only the first etching mask and the semiconductor layer on both sides of the partition; A sixth step of forming a gate insulating film in the semiconductor layer exposed to both sides of the partition; Depositing a gate material on the entire surface of the substrate, and then planarizing the first etching mask to expose the first etching mask, and then removing the first etching mask; An eighth step of removing the partition and forming a source / drain in the semiconductor layer exposed by the partition removal; And a ninth step of filling the empty space of the structure with an interlayer insulating film.
상기 구성에 의하여, 본 발명은 수직채널을 가지면서도 소스/드레인을 좌, 우측으로 형성하여 채널의 폭을 얼마든지 크게 할 수 있고, 하나의 게이트로 수직으로 적층된 하나 이상의 반도체층을 교차하거나 감싸며 지나가게 되어, 경우에 따라 이웃 소자와 바디를 공유하며 바디 컨택도 가능한 싱글 게이트(Single Gate), 더블 게이트(Double Gate) 및 게이트 올 어라운드(Gate All Around: GAA) 구조 중 어느 한 구조를 가진 반도체 소자를 수직으로 복수개 형성할 수 있는 효과가 있다.According to the above configuration, the present invention can form a source / drain to the left and the right while having a vertical channel to increase the width of the channel, and cross or wrap one or more semiconductor layers stacked vertically with one gate. A semiconductor having one of a single gate, a double gate, and a gate all around (GAA) structure sharing a body with a neighboring device and allowing body contact in some cases. There is an effect that a plurality of elements can be formed vertically.
특히, 본 발명에 의한 반도체 소자가 하나의 게이트로 각 반도체층을 감싸며 형성됨으로써, 게이트 올 어라운드(Gate All Around: GAA) 구조를 갖게 될 경우, 각 채널은 각 반도체층의 단면 형상에 따라 사각통형 또는 원통형으로 형성하게 되고, 게이트의 각 채널에 대한 지배력이 크게 향상되는 효과가 있다.In particular, when the semiconductor device according to the present invention is formed to surround each semiconductor layer with one gate, and thus has a gate all around (GAA) structure, each channel has a rectangular cylindrical shape according to the cross-sectional shape of each semiconductor layer. Or it is formed in a cylindrical shape, there is an effect that the control of each channel of the gate is greatly improved.
나아가, 상기 GAA 구조를 갖는 반도체 소자를 메모리 셀로 활용할 경우 게이트와 각 반도체층 사이에는 곡률반경을 달리하며 단일 또는 다층구조의 절연막이 위치하게 되어 셀의 동작특성을 높일 수 있는 효과도 있다.Furthermore, when the semiconductor device having the GAA structure is used as a memory cell, the curvature radius is changed between the gate and each semiconductor layer, and an insulating film having a single or multi-layer structure is positioned to increase the operation characteristics of the cell.
이하, 첨부된 도면을 참조하며 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.
도 1 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예로 게이트(500)가 각 반도체층(220, 240)을 교차하며 지나가는 소자 구조 및 그 제조방법을 보여주기 위한 공정 사시도이고, 도 9 내지 도 17은 본 발명의 다른 실시예로 게이트(510, 520, 530)가 각 반도체층(220, 240)을 감싸며 지나가는 소자 구조 및 그 제조방법을 보여주기 위한 공정 사시도이며, 도 18 내지 도 22는 본 발명의 또 다른 실시예로 게이트(510, 520, 530)가 감싸는 각 반도체층(220, 240)의 단면이 원형인 소자 구조 및 그 제조방법을 보여주기 위한 공정 사시도이다.1 to 8 are perspective views illustrating a device structure in which the
상기 도면들은 반복되는 구조의 일 단면의 특징이 나타나도록 도시되었으나, 이는 당업자가 본 발명을 이해하여 실시할 수 있도록 대표적인 예를 개념적으로 도시한 것에 불과한 것이어서, 첨부된 특허청구범위의 청구항 해석에 제한적으로 적용되어서는 아니된다(도면부호가 동일한 것은 형상이 다를지라도 동일한 구성을 나타냄).While the drawings show features of a cross section of a repeating structure, these are merely conceptual illustrations of representative examples that enable those skilled in the art to understand and practice the invention, and are therefore limited to the interpretation of the claims in the appended claims. It shall not be applied to (the same reference number indicates the same configuration even if the shape is different).
<소자 구조에 관한 실시예>Embodiments Regarding Device Structure
본 발명에 의한 반도체 소자의 구조는 기본적으로, 도 8(도 7 참조), 도 17(도 16 참조) 또는 도 22(도 21 참조)와 같이, 기판(100)으로부터 떨어져 수직하게 일정거리 이격되며 하나 이상 적층된 반도체층(220 및 240)과; 상기 각 반도체층 상에 게이트 절연막(400, 410 또는 420)을 사이에 두고 상기 반도체층 모두를 지나며 형성된 게이트(500, 510, 520 또는 530)와; 상기 각 반도체층에서 상기 게 이트 양측으로 형성된 소스(222) 및 드레인(226)과; 상기 각 반도체층의 소스 및 드레인을 각각 둘러싸거나, 상기 각 반도체층 주위의 빈 공간에 채워진 층간 절연막(600)을 포함하여 구성된다.The structure of the semiconductor device according to the present invention is basically spaced vertically apart from the
따라서, 본 실시예의 특징은, 도 7, 도 14 또는 도 19와 같이, 액티브 영역인 반도체층이 기판(100)으로부터 떨어져 수직하게 일정거리 이격되며 하나 이상 적층된 구조를 갖는다는 점, 상기 수직으로 적층된 반도체층 모두(220 및 240)는 게이트 절연막(400, 410 또는 420)을 사이에 두고 하나의 게이트(500, 510, 520 또는 530)로 연결되어 있다는 점, 소스(222) 및 드레인(226)은 상기 게이트 좌, 우측으로 수평적으로 형성되어 있다는 점, 그리고 상기 각 반도체층의 소스 및 드레인을 각각 둘러싸거나(도 17 또는 도 22), 상기 각 반도체층 주위의 빈 공간에 채워진(도 8) 층간 절연막(600)으로 소자 분리를 위한 필드 영역을 구성한 점에 있어, 본 실시예에 의하여 소자의 채널 폭을 수직으로 얼마든지 크게 할 수 있고(고성능 소자를 집적도 영향없이 구현 가능함), 싱글 게이트(Single Gate, 미도시) 및 더블 게이트(Double Gate, 도 7)는 물론 채널 영역을 둘러싸는 게이트 올 어라운드(Gate All Around: GAA, 도 16 또는 도 21) 구조를 가진 반도체 소자도 수직으로 복수개 형성할 수 있는 장점이 있다.Accordingly, the present embodiment is characterized in that the semiconductor layer, which is an active region, is vertically spaced vertically apart from the
상기 실시예를 보다 구체화하기 위하여, 상기 각 반도체층(220 또는 240)의 단면은, 도 7 또는 도 13과 같이, 사각형(정사각형은 물론 직사각형도 가능함)으로 하거나, 도 18과 같이, 원형(물론 타원형도 가능함)으로 한다.In order to further embody the above embodiment, the cross section of each of the
여기서, 상기 각 반도체층(220 또는 240)의 단면이 사각형인 경우, 상기 게 이트는, 도 7의 도면부호 500과 같이, 각 반도체층과 양 측면에서 교차하며 지나가도록 하여 더블 게이트(Double Gate) 구조를 갖거나, 도 16의 도면부호 510, 520 또는 530과 같이, 4개 측면 모두를 감싸도록 하여 게이트 올 어라운드(Gate All Around: GAA) 구조를 갖도록 하는 것이 바람직하고, 도면에는 미도시되었으나, 각 반도체층과 일 측면에서 교차하며 지나가도록 하여 싱글 게이트(Single Gate) 구조를 갖도록 할 수도 있다.In this case, when the cross section of each of the
한편, 상기 각 반도체층(220 또는 240)의 단면이 원형 또는 타원형인 경우, 상기 게이트는, 도 21의 도면부호 510, 520 또는 530과 같이, 각 반도체층의 외주면을 감싸도록 하여 게이트 올 어라운드(Gate All Around: GAA) 구조를 갖도록 하는 것이 바람직하다.On the other hand, when the cross-section of each of the
그리고, 각 반도체층과 게이트 사이에 절연 목적으로 개재되는 상기 게이트 절연막은, 도 7과 같이, 상기 게이트(500)가 상기 각 반도체층(220, 240)과 교차하며 지나갈 경우 편면형 구조(400)이고, 도 16 또는 도 21과 같이, 상기 게이트(510, 520 또는 530)가 상기 각 반도체층(220, 240)을 감싸며 지나갈 경우 사각통형(410) 또는 원통형(420) 구조를 갖는다.The gate insulating layer interposed between the semiconductor layers and the gates for the purpose of insulation may have a single-
그리고, 상기 소스(222) 및 드레인(226)은, 상기 게이트를 사이에 두고 상기 각 반도체층(220 또는 240)의 일 측면(미도시) 또는 양 측면(도 7)에 형성되거나, 상기 게이트가 감싼 구조(도 16 또는 도21)에서 상기 각 반도체층(220 또는 240)의 외주면에 일정 깊이로 형성되도록 함으로써, 상기 소스(222) 및 드레인(226)이 형성되지 않은 각 반도체층(220 또는 240)의 타측 또는 내부에는 바디 영역이 존재하 도록 하여, 외부와 바디 컨택(body contact)이 가능하고 이웃 소자(동일한 반도체층에 연결된 소자, 이하 동일)와 바디를 공유할 수 있게 함이 바람직하다.The
<소자의 제조방법에 관한 실시예 1>Example 1 of Manufacturing Method of Device
본 발명에 따른 반도체 소자의 제조방법에 관한 일 실시예를, 도 1 내지 도 8을 참조하며 설명하면 하기와 같다.An embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 8.
우선, 도 1과 같이, 소정의 기판(100) 상에 "적층매개층(210a)->반도체층(220a)"을 n번 반복 형성시킨 후(도 1에서는 도면 작성 편의상 2번 반복 형성시킴), n번째 반도체층(도 1에서 2번째 반도체층: 240a) 상부에 n+1번째 적층매개층(도 1에서 3번째 적층매개층: 250a)을 한번 더 형성시킨 다음, 상기 n+1번째 적층매개층(250a) 상부에 식각 마스크 물질(300a)을 증착시킨다(제 1 단계).First, as shown in FIG. 1, after the "
여기서, 상기 적층매개층(210a, 230a, 250a) 및 상기 반도체층(220a, 240a)의 적층은 단결정 성장을 위한 에피텍시(epitaxy)법에 의함이 바람직하다.The
또한, 상기 적층매개층(210a, 230a, 250a)은 상기 반도체층(220a, 240a)을 상기 기판(100)으로부터 떨어뜨려 수직으로 일정거리 이격시키며 적층하기 위한 것이고, 차후에 식각시켜 없앤 다음 층간 절연막으로 채워 각 반도체층을 전기적으로 분리시키기기 위하여 사용되는 것이다.In addition, the
따라서, 상기 적층매개층(210a, 230a, 250a)은 상기 반도체층(220a, 240a)의 물질과 격자구조가 비슷하여 에피텍시(epitaxy)에 의한 적층이 용이하고, 상기 반도체층(220a, 240a)의 물질과 식각 선택비가 큰 것이면, 어느 것이나 가능하다. 예 를들어, 상기 기판(100) 및 상기 반도체층(220a, 240a)의 물질이 실리콘(Si)이면, 상기 적층매개층(210a, 230a)의 물질은 실리콘게르마늄(SiGe)인 것이 바람직하다.Accordingly, the
그리고, 상기 식각 마스크 물질(300a)은 상기 적층매개층(210a, 230a, 250a) 및 상기 반도체층(220a, 240a)과 식각 선택비가 큰 물질이면 어느 것이든 족하나, 상기 적층매개층(210a, 230a)의 물질이 실리콘게르마늄(SiGe)이고, 상기 반도체층(220a, 240a)의 물질이 실리콘(Si)일 경우, 질화물(nitride)이 바람직하다.The
상기 "적층매개층(210a)->반도체층(220a)"을 n번 반복시 n=1일 경우 단순 스위칭 소자를 제조할 수 있고, n이 2 이상일 경우 수직으로 복수개 적층된 메모리 소자(셀)를 얻을 수 있다.When n is repeated n times when the “
다음, 도 2와 같이, 상기 식각 마스크 물질(300a)을 패터닝한 후, 이를 제 1 식각 마스크(300)로 하여 상기 n+1번째 적층매개층(250a)부터 상기 n번 적층된 "반도체층/적층매개층"을 순차 식각하여 기둥 형상의 적층 구조(200)를 형성한다(제 2 단계).Next, as shown in FIG. 2, after the
여기서, 상기 기둥 형상의 적층 구조(200) 형성시 상기 1번째 적층매개층(210a)은 식각 공정여유를 줄 수 있다. 즉, 식각시 상기 1번째 적층매개층(210a)이 도과되지 않도록 공정조건을 잡을 수 있는 여유가 있다.Here, when forming the columnar stacked
이어, 도 3과 같이, 상기 제 1 식각 마스크(300)를 제거하고, 상기 기둥 형상의 적층 구조(200) 상에 게이트 절연막(400a)을 형성한다(제 3 단계).Subsequently, as shown in FIG. 3, the
상기 게이트 절연막(400a) 형성 공정은 단순히 열산화막 공정으로 진행하여 스위칭 소자로 제조할 수도 있고, 고유전체 등을 포함한 단일 또는 다층구조로 형 성함으로써 메모리 소자가 형성되도록 할 수 있다.The
다음, 도 4와 같이, 상기 기판 전면에 게이트 물질을 증착후 제 2 식각 마스크(미도시)로 상기 게이트 물질을 식각하여 게이트(500)를 형성한다(제 4 단계).Next, as shown in FIG. 4, after the gate material is deposited on the entire surface of the substrate, the gate material is etched with a second etching mask (not shown) to form a gate 500 (fourth step).
상기 게이트 물질 증착은 상기 게이트 절연막(400a)으로 덮혀진 하나 이상의 상기 기둥 형상의 적층 구조(200) 사이에도 채워지도록 하고, 상기 게이트(500)를 형성하기 위한 상기 게이트 물질 식각은 평탄화 공정(예컨대, CMP 공정)을 더 거친 후에 실시하는 것이 바람직하다.The gate material deposition is also filled between the at least one columnar
이어, 도 5와 같이, 상기 게이트 물질 식각으로 드러난 상기 게이트 절연막(400a)을 제거한 다음, 도 6과 같이, 드러난 각 반도체층(220 또는 240)에 소스(222)/드레인(226)을 형성한다(제 5 단계).Subsequently, as shown in FIG. 5, the
여기서, 상기 소스(222)/드레인(226) 형성은 불순물 도펀트(dopant)을 주입시킨 상태에서 에피텍시(epitaxy)법 또는 플라즈마 방식에 의한다.Here, the
도 6에서 도면부호 224는 게이트(500) 아래에서 게이트 절연막(400)과 접하여 소자 동작시 채널이 형성되는 영역을 나타낸 것이고, 도 7에서, 이격된 각 반도체층(220 또는 240)은 액티브 바디 영역이 된다. In FIG. 6,
이후, 도 7과 같이, 상기 기둥 구조를 이루는 n+1개의 적층매개층(210, 230, 250) 모두를 제거한 다음, 도 8과 같이, 드러난 구조물의 빈 공간을 층간 절연막(600)으로 채운다(제 6 단계).Subsequently, as shown in FIG. 7, all of the n + 1 stacking
상기 n+1개의 적층매개층(210, 230, 250) 제거는 상기 반도체층(220 및 240)과의 식각 선택비가 차이가 남을 이용한다.Removal of the n + 1 stacking
상기 n+1개의 적층매개층(210, 230, 250) 제거로 드러난 구조물의 빈 공간을 층간 절연막(600)으로 채우기 앞서, 노출된 게이트 절연막(400)을 제거하는 공정을 더 진행할 수도 있다.The process of removing the exposed
상기 층간 절연막(600) 채우는 공정은 공지의 CVD 공정 등을 이용하여, 빈 공간을 채울 수 있는데, 이는 이웃한 각 반도체층(220 또는 240), 게이트(500) 및 기판(100)을 서로 전기적으로 격리시키기 위함이므로, 약간의 빈틈(void)이 생겨도 무방하다.The interlayer insulating
<소자의 제조방법에 관한 실시예 2><Example 2 of Manufacturing Method of Device>
본 발명에 따른 반도체 소자의 제조방법에 관한 다른 실시예를, 도 9 내지 도 17을 참조하며 설명하면 하기와 같다.Another embodiment of the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 9 to 17.
이 경우도 먼저, 상기 소자의 제조방법에 관한 실시예 1의 제 1 단계 및 제 2 단계와 동일하게 실시한 이후, 도 9의 상태에서, 도 10과 같이, 상기 기판 전면에 홈충전물질(700)을 증착한 후 상기 제 1 식각 마스크(300)가 드러나도록 평탄화시킨 다음, 도 11과 같이, 제 2 식각 마스크(800)를 형성한다(제 3 단계).Also in this case, first, after the same process as the first step and the second step of the first embodiment of the manufacturing method of the device, in the state of Figure 9, as shown in Figure 10, the
여기서, 상기 홈충전물질(700)은 적층매개층(210, 230, 250) 물질과 식각률(식각 선택비)이 동일하거나 비슷한 물질이 바람직하고, 상기 기판(100) 및 반도체층(220, 240) 물질이 실리콘(Si)일 경우 상기 적층매개층(210, 230, 250) 및 상기 홈충전물질(700)은 모두 실리콘게르마늄(SiGe)인 것이 보다 바람직하다.Here, the
상기 평탄화 공정은 상기 제 1 식각 마스크(300)를 질화물로 형성하였을 경 우 상기 제 1 식각 마스크(300)를 식각 스톱퍼(stopper)로 사용하여 공지의 CMP 공정을 이용하는 것이 바람직하다.In the planarization process, when the
상기 제 2 식각 마스크(800) 형성은 마스크의 폭(A)이 마스크 사이 간격(B)보다 더 크게 되도록 하거나, 경사 식각(slope etch)을 이용하여 마스크의 하부 폭이 상부 폭보다 더 크게 되도록 하는 것이 바람직하다.The
특히, 후자의 경우는 동일한 사진 식각에 의한 분해능으로 마스크 사이의 간격을 형성시켜도, 실제 제 2 식각 마스크(800) 사이의 간격은 더 좁게 얻을 수 있는 장점이 있다.In particular, in the latter case, even if the interval between the masks is formed by the resolution by the same photo etching, the interval between the actual second etching masks 800 may be narrower.
이는 상기 제 2 식각 마스크(800) 사이의 간격(B)은 상기 홈충전물질(700)을 식각할 수 있는 틈만 주면되고, 차후 상기 홈충전물질(700)로 형성된 칸막이(710, 720)가 더 식각되면서 칸막이(710, 720) 사이의 폭은 줄어들고 간격은 커지는 점을 고려한 것이다.The gap B between the second etching masks 800 may be provided only to a gap through which the
이어, 도 12와 같이, 상기 제 2 식각 마스크(800)를 이용하여 상기 제 2 식각 마스크 사이에 드러난 상기 홈충전물질(700)을 식각하여 홈(715)을 사이에 두며 칸막이(710, 720)를 형성하고, 상기 칸막이 양측으로 상기 제 2 단계의 적층 구조(200, 300) 일부가 드러나게 한 다음(210b, 220b, 230b, 240b, 250b 참조), 상기 제 2 식각 마스크(800)를 제거한다(제 4 단계).Subsequently, as shown in FIG. 12, the
이때, 상기 칸막이(710, 720) 형성 공정은 상기 제 2 식각 마스크(800) 사이로 드러난 상기 홈충전물질(700)이 수직하게 식각되도록 비등방성 식각 방식을 이용하는 것이 바람직하다.In this case, the
다음, 도 13과 같이, 상기 드러난 적층 구조의 적층매개층(210b, 230b, 250b)을 식각하여 상기 칸막이(712, 722) 양측으로 상기 제 1 식각 마스크(300) 및 상기 반도체층(220b, 240b)만 드러나게 한다(제 5 단계).Next, as shown in FIG. 13, the first and second etching masks 300 and 220b and 240b are etched on both sides of the
여기서, 상기 드러난 적층매개층(210b, 230b, 250b)의 식각은 등방성 식각 방식을 이용하여 상기 홈충전물질(700)로 된 칸막이(710, 720)도 일부 식각되도록 하는 것이 바람직하다. 이는 상기 홈충전물질(700)을 적층매개층(210, 230, 250)과 동일한 물질(예: 실리콘게르마늄) 또는 식각률이 서로 유사한 물질로 할 경우 가능하다. 도 13에서 도면부호 712 및 722는 상기 홈충전물질(700)이 상기 적층매개층(210, 230, 250)과 동일한 물질(예: 실리콘게르마늄)로 이루어진 경우, 각 반도체층(220 또는 240)을 둘러싸며 칸막이를 형성함을 보여준다.The etching of the exposed layered media (210b, 230b, 250b) is preferably such that the partitions (710, 720) of the
이어, 도 14와 같이, 상기 칸막이(712 또는 722) 양측으로 드러난 상기 반도체층(220b, 240b)에 게이트 절연막(410)을 형성시킨다(제 6 단계).Subsequently, as shown in FIG. 14, a
상기 게이트 절연막(410) 형성 공정은 상기 소자의 제조방법에 관한 실시예 1에서와 동일하게 실시할 수 있다.The
다만, 상기 칸막이(712 또는 722) 물질이 실리콘계 물질(예: 실리콘게르마늄)일 경우 여기에도 게이트 절연막(412)이 형성되고, 상기 기판(100)이 실리콘일 경우에도 마찬가지이다.However, when the
결국, 도 14와 같이, 노출된 구조 전면에 상기 게이트 절연막(410, 412)이 형성될 수 있다.As a result, as shown in FIG. 14, the
이어, 상기 기판 전면에 게이트 물질을 증착한 다음, 상기 제 1 식각 마스 크(300)가 드러나도록 평탄화시킨 후, 도 15와 같이, 상기 제 1 식각 마스크(300)를 제거하여 게이트(510, 520 또는 530)를 형성한다(제 7 단계).Subsequently, after the gate material is deposited on the entire surface of the substrate, the
상기 게이트 물질 증착은 도핑된 폴리실리콘 등 실리콘계 물질이나 금속 등으로 상기 칸막이들(712 및 722) 사이를 메꾸며 진행하여, 상기 게이트 절연막(410)이 형성된 각 반도체층(220b 또는 240b)을 둘러싸게 된다. The gate material deposition is performed by filling the spaces between the
다음, 도 16과 같이, 상기 칸막이(712 및 722)를 제거하고 상기 칸막이 제거로 드러난 상기 각 반도체층에 소스(222)/드레인(226)을 형성한다(제 8 단계).Next, as shown in FIG. 16, the
여기서도, 상기 소스(222)/드레인(226) 형성은 불순물 도펀트(dopant)을 주입시킨 상태에서 에피텍시(epitaxy)법 또는 플라즈마 방식에 의한다. Here, the
상기 불순물 주입시 상기 칸막이 제거로 드러난 상기 각 반도체층의 외주면을 둘러싸며 불순물이 주입되도록 하여, 도 16과 같이, 상기 각 반도체층의 내측에는 바디 영역이 존재하도록 하는 것이 바람직하다. 상기 바디 영역 중 상기 게이트 절연막(410)을 사이에 두고 상기 게이트(예: 520)가 감싸는 부분이 소자 동작시 채널이 형성되는 영역(224)이다.When the impurity is implanted, impurities are injected around the outer circumferential surface of each of the semiconductor layers exposed by the removal of the partition, and as shown in FIG. 16, the body region is present inside the semiconductor layers. A portion of the body region that is covered by the gate (eg, 520) with the
상기 소스(222)/드레인(226) 형성은 상기 칸막이(712 및 722) 측면에 형성되었던 게이트 절연막(412)도 제거한 이후에 진행하여, 상기 게이트(510, 520 또는 530)가 실리콘계 물질로 형성되었을 경우, 이에도 불순물 이온 주입이 되도록 하는 것이 바람직하다.The
이어, 도 17과 같이, 상기 칸막이(712 및 722) 제거로 생긴 빈 공간에 층간 절연막(600)으로 채운다(제 9 단계).Next, as shown in FIG. 17, the
상기 층간 절연막(600) 채우는 공정은 상기 제조방법에 관한 실시예 1과 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략한다.Filling the
<소자의 제조방법에 관한 실시예 3><Example 3 of Manufacturing Method of Device>
본 발명에 따른 반도체 소자의 제조방법에 관한 또 다른 실시예를, 도 18 내지 도 22를 참조하며 설명하면 하기와 같다.Another embodiment of the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described below with reference to FIGS. 18 to 22.
상기 제조방법에 관한 실시예 2와 동일하게 실시하되, 상기 제 5 단계와 상기 제 6 단계 사이에는 상기 칸막이(712, 722) 양측으로 드러난 상기 반도체층의 표면을, 도 18의 도면부호 220c 및 240c와 같이, 곡면화시키는 공정이 더 추가된 것을 특징으로 한다.18. The surface of the semiconductor layer exposed to both sides of the
이렇게 함으로써, 차후 공정에서 원통 구조의 반도체층(220c, 240c)의 표면에 원통형 게이트 절연막(420)이 형성되고(도 19 참조), 상기 원통형 게이트 절연막(420)을 감싸며 게이트 물질이 증착되어 게이트(510, 520, 530)가 상기 칸막이(712, 722) 사이로 형성되고(도 20 참조), 상기 칸막이(712, 722) 제거 후 드러난 각 반도체층에 소스(222)/드레인(226)을 형성하고(도 21 참조), 상기 상기 칸막이(712, 722) 제거로 생긴 빈 공간에 층간 절연막(600)으로 채워 반도체 소자를 제조하게 된다(도 22 참조).In this way, the cylindrical
상기 제조방법에 따른 장점은 원통 구조의 반도체층(220c, 240c) 형성, 원통형 게이트 절연막(420) 형성, 그리고 상기 원통형 게이트 절연막(420)을 감싸며 상기 칸막이(712, 722) 사이에 각 게이트(510, 520, 530)를 형성할 수 있다는데 있 다. Advantages of the manufacturing method include the formation of the cylindrical semiconductor layers 220c and 240c, the formation of the cylindrical
여기서, 도 13과 같이, 상기 칸막이(712, 722) 양측으로 드러난 상기 반도체층(220b, 240b)의 표면을, 도 18의 도면부호 220c 및 240c와 같이, 곡면화시키기 위해서는, 수소 어닐링공정을 이용하거나 실리콘 잠식이 일어나는 산화공정 및 산화막 식각공정을 반복적으로 이용할 수 있다.Here, as shown in FIG. 13, in order to curved the surfaces of the semiconductor layers 220b and 240b exposed to both sides of the
기타, 공정들은 상기 제조방법에 관한 실시예 2와 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략한다.In addition, since the processes are the same as in Example 2 of the manufacturing method, a description thereof will be omitted.
도 1 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예로 게이트(500)가 각 반도체층(220, 240)을 교차하며 지나가는 소자 구조 및 그 제조방법을 보여주기 위한 공정 사시도이고, 1 to 8 are process perspective views illustrating a device structure and a method of manufacturing the
도 9 내지 도 17은 본 발명의 다른 실시예로 게이트(510, 520, 530)가 각 반도체층(220, 240)을 감싸며 지나가는 소자 구조 및 그 제조방법을 보여주기 위한 공정 사시도이며, 9 to 17 are process perspective views illustrating a device structure and a method of manufacturing the
도 18 내지 도 22는 본 발명의 또 다른 실시예로 게이트(510, 520, 530)가 감싸는 각 반도체층(220, 240)의 단면이 원형인 소자 구조 및 그 제조방법을 보여주기 위한 공정 사시도이다.18 to 22 are perspective views illustrating a device structure having a circular cross section of each of the semiconductor layers 220 and 240 surrounded by the
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
100 : 기판 200 : 기둥형상의 적층구조100: substrate 200: columnar laminated structure
210, 230, 250 : 적층매개층 220, 240 : 반도체층210, 230, 250: stacked
300 : 제 1 식각 마스크 400, 410, 420 : 게이트 절연막300:
500, 510, 520, 530 : 게이트 600 : 층간 절연막500, 510, 520, 530: gate 600: interlayer insulating film
700 : 홈충전물질 710, 720 : 칸막이700: home filling
800 : 제 2 식각 마스크 800: second etching mask
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