KR20100074718A - Semiconductor having buried wordline and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 매립 워드라인을 갖는 반도체 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a semiconductor device having a buried word line and a method for manufacturing the same.
반도체 소자의 고집적화 필요에 따라 트랜지스터에 소요되는 면적을 축소하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.In order to reduce the area required for transistors according to the need for high integration of semiconductor devices, researches are being actively conducted.
트랜지스터를 축소하려면 채널영역의 길이 및 폭을 축소하여야 한다. 그런데 유효채널 폭(effective channel width)의 감소는 채널전류의 감소를 야기하며, 채널전류의 감소는 트랜지스터의 전류 구동능력을 저하시킨다.To reduce the transistor size, the length and width of the channel region must be reduced. However, the reduction of the effective channel width causes a decrease in the channel current, and the decrease in the channel current lowers the current driving capability of the transistor.
또한, 유효채널 길이(effective channel length)의 감소는 채널전류를 증가시키는 효과가 있으나 유효채널 길이의 감소는 단채널 효과(short channel effect)를 유발하게 된다. 이러한 단채널 효과(short channel effect)를 극복하면서 트랜지스터를 축소하는 방안으로 리세스 채널(recess channel) MOSFET가 제안된 바 있다. In addition, the reduction of the effective channel length has an effect of increasing the channel current, but the reduction of the effective channel length causes a short channel effect. Recess channel MOSFETs have been proposed as a way to reduce transistors while overcoming these short channel effects.
그런데 리세스 채널 MOSFET는 게이트 전극을 반도체 기판의 상부로 돌출되도 록 배치하기 때문에 콘택 플러그 형성 및 평탄화 공정과 같은 후속공정을 어렵게 하는 문제를 안고 있다. 또한, 채널영역의 상부모서리 부분은 전계집중효과(field crowding effect)에 의한 누설전류 발생의 원인을 제공하기도 한다. 더욱이, 돌출된 게이트 전극을 형성하는 것은 고난도의 패터닝 공정을 필요로 한다.However, since the recess channel MOSFET arranges the gate electrode to protrude above the semiconductor substrate, it has a problem of making subsequent processes such as contact plug formation and planarization process difficult. In addition, the upper edge portion of the channel region may provide a cause of leakage current caused by a field crowding effect. Moreover, forming the protruding gate electrode requires a high level patterning process.
이러한 문제들을 극복하기 위하여 최근에는 매립 워드라인(buried word line)을 갖는 반도체 소자에 대한 연구가 진행되고 있다.In order to overcome these problems, researches on semiconductor devices having buried word lines have recently been conducted.
종래기술에 의한 매립형 반도체 소자는 셀 트랜지스터의 워드라인은 매립형으로 형성되고 주변회로영역 트랜지스터의 게이트층은 평면(Planar) 구조로 형성된다. 이때, 매립형으로 형성되는 셀 트랜지스터의 워드라인은 폴리실리콘이 아닌 금속층이 사용되고 있다.In the buried semiconductor device according to the related art, the word line of the cell transistor is buried and the gate layer of the peripheral circuit region transistor is formed in a planar structure. In this case, a metal layer other than polysilicon is used as a word line of the cell transistor formed as a buried type.
그런데, 이처럼 셀영역의 워드라인은 매립형으로 형성되고 주변회로 영역의 게이트는 평면 구조로 형성되는 경우, 셀영역의 워드라인과 주변회로영역의 게이트를 순차적으로 형성하는 과정에서 주변회로영역의 게이트에 대한 고온의 게이트 산화 공정시 금속층으로 이루어진 셀영역의 워드라인이 산화되는 것을 방지하기 위해 복잡한 공정을 거치게 되는 문제가 있다. However, when the word line of the cell region is buried and the gate of the peripheral circuit region is formed in a planar structure, the word line of the cell region and the gate of the peripheral circuit region are sequentially formed in the gate of the peripheral circuit region. In the high temperature gate oxidation process, there is a problem that a complicated process is performed to prevent the word line of the cell region formed of the metal layer from being oxidized.
본 발명은 매립 워드라인을 갖는 반도체 소자의 제조 공정을 개선하여 제조 공정을 보다 단순화시킴으로써 공정마진을 향상시키고자 한다. The present invention seeks to improve process margins by simplifying the manufacturing process by improving the manufacturing process of semiconductor devices having buried word lines.
본 발명의 반도체 소자는 활성영역이 일정 깊이로 식각된 워드라인 트렌치의 일부분에 매립된 매립 워드라인, 상기 매립 워드라인 상부에 형성된 캡핑 질화막 및 상기 매립 워드라인 양측의 상기 활성영역에 형성된 소오스/드레인 영역을 포함한다.The semiconductor device of the present invention includes a buried word line embedded in a portion of a word line trench in which an active region is etched to a predetermined depth, a capping nitride layer formed on the buried word line, and a source / drain formed in the active regions on both sides of the buried word line. It includes an area.
본 발명의 반도체 소자에서 상기 소오스/드레인 영역의 상부면은 상기 매립 워드라인 보다 높게 형성되며, 상기 캡핑 질화막의 상부면은 상기 소오스/드레인 영역 보다 높게 형성된다. 그리고, 상기 워드라인 트렌치는 상기 활성영역의 장축 방향과 교차하는 방향으로 상기 활성영역 및 소자분리막이 상기 일정 깊이로 식각된다.In the semiconductor device of the present invention, an upper surface of the source / drain region is formed higher than the buried word line, and an upper surface of the capping nitride layer is formed higher than the source / drain region. The word line trench is etched to the predetermined depth in the active region and the isolation layer in a direction crossing the long axis direction of the active region.
본 발명의 반도체 소자 제조 방법은 셀영역 및 주변회로영역의 피식각층 상부에 게이트 산화막을 형성하는 단계, 상기 셀영역의 상기 게이트 산화막 및 상기 피식각층을 일정 깊이 식각하여 워드라인 트렌치를 형성하는 단계, 상기 워드라인 트렌치의 일부분에 도전물질을 매립하여 매립 워드라인을 형성하는 단계, 상기 주변회로영역의 상기 게이트 산화막 상부에 게이트 도전막 및 하드마스크층을 형성하는 단계 및 상기 게이트 산화막, 상기 게이트 도전막 및 상기 하드마스크층을 패터 닝하여 게이트를 형성하는 단계를 포함한다.In the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, forming a gate oxide layer on the etched layer of the cell region and the peripheral circuit region, forming a word line trench by etching the gate oxide layer and the etched layer of the cell region to a predetermined depth; Embedding a conductive material in a portion of the word line trench to form a buried word line, forming a gate conductive layer and a hard mask layer on the gate oxide layer in the peripheral circuit region, and the gate oxide layer and the gate conductive layer And patterning the hard mask layer to form a gate.
본 발명의 반도체 소자 제조 방법은 상기 게이트 산화막 상부에 제 1 게이트 도전막을 형성하는 단계, 상기 제 1 게이트 도전막 중 상기 셀영역의 제 1 게이트 도전막을 제거하는 단계, 상기 셀영역 및 상기 주변회로영역에 하드마스크층을 형성한 후 이를 평탄화하는 단계 및 상기 하드마스크층을 식각하여 상기 워드라인 트렌치를 정의하는 하드마스크층 패턴을 형성하는 단계를 더 포함한다.A method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention may include forming a first gate conductive layer on the gate oxide layer, removing a first gate conductive layer of the cell region from among the first gate conductive layer, the cell region and the peripheral circuit region. Forming a hard mask layer on the substrate, and planarizing the hard mask layer; and forming a hard mask layer pattern defining the word line trench by etching the hard mask layer.
본 발명의 반도체 소자 제조 방법에서 상기 게이트 도전막은 상기 제 1 게이트 도전막 상부에 제 2 게이트 도전막이 증착되어 형성된다.In the semiconductor device manufacturing method of the present invention, the gate conductive layer is formed by depositing a second gate conductive layer on the first gate conductive layer.
상기 매립 워드라인을 형성하는 단계는 상기 워드라인 트렌치 내측벽에 워드라인 산화막을 형성하는 단계, 상기 워드라인 트렌치가 매립되도록 상기 워드라인 산화막 상부에 도전층을 형성하는 단계 및 상기 워드라인 산화막과 상기 도전층을 일정 깊이 식각하는 단계를 포함한다.The forming of the buried word line may include forming a word line oxide layer on an inner wall of the word line trench, forming a conductive layer on the word line oxide layer to fill the word line trench, and forming the word line oxide layer and the word line oxide layer. Etching the conductive layer to a predetermined depth.
본 발명의 반도체 소자 제조 방법은 상기 워드라인 트렌치 내의 상기 매립 워드라인 상부에 캡핑 질화막을 형성하는 단계를 더 포함하며, 이때 상기 캡핑 질화막은 그 상부면이 상기 피식각층 보다 높게 형성된다.The method of manufacturing a semiconductor device of the present invention further includes forming a capping nitride film over the buried word line in the word line trench, wherein the capping nitride film has a top surface higher than that of the etched layer.
본 발명의 반도체 소자 제조 방법에서 상기 매립 워드라인은 상기 피식각층의 상부면 보다 낮게 상기 워드라인 트렌치의 하부에 형성된다.In the semiconductor device manufacturing method of the present invention, the buried word line is formed below the word line trench lower than the upper surface of the etched layer.
본 발명에서는 셀영역에 매립 워드라인을 형성하기 이전에 주변회로영역의 게이트를 위한 게이트 산화막을 먼저 형성함으로써 주변회로영역의 게이트 산화막 형성 공정시 매립 워드라인이 산화되는 것을 방지할 수 있다.In the present invention, the gate oxide film for the gate of the peripheral circuit region is first formed before forming the buried word line in the cell region, thereby preventing the buried word line from being oxidized during the gate oxide film forming process of the peripheral circuit region.
또한 본 발명에서는 매립 워드라인 상부에 질화막을 형성함으로써 셀영역에 콘택 플러그를 형성하기 위한 콘택홀 형성시 미스 얼라인먼트가 발생하더라도 콘택홀이 매립 워드라인까지 식각되는 것을 방지하여 공정 마진을 향상시켜준다.In addition, the present invention improves process margin by preventing the contact hole from being etched to the buried word line even when a misalignment occurs when forming the contact hole for forming the contact plug in the cell region by forming a nitride film on the buried word line.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 반도체 소자의 구성을 보여주는 공정 단면도이다. 본 발명의 대한 이하의 설명에서 동일한 참조번호는 동일한 요소를 나타낸다.1 is a cross-sectional view illustrating a structure of a semiconductor device according to the present invention. In the following description of the invention, like reference numerals refer to like elements.
셀영역 및 주변회로영역을 갖는 실리콘 기판(100) 상에 활성영역(102)을 정의하는 소자분리막(104)이 형성되며, 활성영역(102)의 장축방향과 교차되는 방향으로 활성영역(102) 및 소자분리막(104)을 가로지르는 매립 워드라인(114)이 형성된다. 매립 워드라인(114)의 양측의 활성영역(102)에는 소오스/드레인 영역(미도시)이 형성된다. 이때, 소오스/드레인 영역의 상부면은 매립 워드라인(114) 보다 상부레벨에 형성된다.An
매립 워드라인(114)의 하부면에는 워드라인 산화막(112)이 형성되며, 매립 워드라인(114) 상부에는 선택적 산화막(116) 및 캡핑 질화막(118)이 형성된다. 이때, 캡핑 질화막(118)의 상부면은 소오스/드레인 영역(미도시) 보다 상부레벨에 형성된다.A word
이처럼, 본 발명에서는 매립 워드라인(114)의 상부에 식각선택비가 낮은 질 화막(118)을 형성함으로써 콘택 플러그(130)를 형성하기 위한 콘택홀 형성시 콘택홀이 매립 워드라인(114) 까지 식각되는 것을 방지한다.As such, in the present invention, when the contact hole for forming the
주변회로영역에는 활성영역(102) 상부에 게이트 산화막(106), 게이트 도전막(108, 120) 및 하드마스크층(122)이 적층된 평면 구조를 갖는 게이트(124)가 형성되며, 게이트(124)의 측벽에는 스페이서(126)가 형성된다.In the peripheral circuit region, a
도 2 내지 도 8은 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.2 to 8 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention.
도 2를 참조하면, 셀영역 및 주변회로영역을 갖는 실리콘 기판(100) 상에 패드 산화막(미도시)과 패드 질화막(미도시)을 순차적으로 형성한 후 STI(Shallow Trench Isolation) 마스크를 이용한 식각 공정을 통해 기판(100) 내에 활성영역(102)을 정의하는 소자분리막(104)을 형성하기 위한 소자분리 트렌치(미도시)를 형성한다. 이때, 식각공정은 건식식각공정으로 실시한다.Referring to FIG. 2, after a pad oxide layer (not shown) and a pad nitride layer (not shown) are sequentially formed on a
다음에, 소자분리 트렌치의 내부가 완전히 매립되도록 필드 산화막을 형성하여 소자분리막(104)을 형성한다. 이때, 필드 산화막으로는 SOD(Spin On Dielectric) 산화막 또는 HDP(High Density Plasma) 산화막이 사용될 수 있다.Next, a field oxide film is formed so that the inside of the device isolation trench is completely filled to form the
다음에, 활성영역(102) 및 소자분리막(104) 상부에 게이트 산화막(106) 및 제 1 게이트 도전막(108)을 형성한다. 이러한 게이트 산화막(106) 및 제 1 게이트 도전막(108)은 주변회로영역에 형성될 트랜지스터의 게이트를 형성하기 위한 것으로, 제 1 게이트 도전막(108)은 폴리실리콘, 텅스텐 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 이처럼, 본 발명에서는 매립 워드라인을 형성하기 전에 주변회로영역 에 형성될 게이트의 게이트 산화막(106)을 먼저 형성함으로써 게이트 산화막(106) 형성 공정에 의해 매립 워드라인(114)이 산화되는 것을 원천적으로 방지할 수 있게 된다.Next, a
도 3을 참조하면, 제 1 게이트 도전막(108) 상부에 주변회로영역을 정의하는 감광막 패턴을 형성한 후 이를 이용하여 셀영역에 형성된 제 1 게이트 도전막(108) 만을 제거한다.Referring to FIG. 3, after forming a photoresist pattern defining a peripheral circuit region on the first gate
다음에, 셀영역의 제 1 게이트 산화막(106) 및 주변회로영역의 제 1 게이트 도전막(108) 상부에 하드마스크층(110)을 형성한 후 CMP 공정을 수행하여 이를 평탄화한다. 이에 따라 셀영역의 하드마스크층이 주변회로영역의 하드마스크층 보다 그 두께가 상대적으로 두꺼워지도록 형성된다.Next, the
이처럼 셀영역의 하드마스크층을 주변회로영역의 하드마스크층 보다 상대적으로 두껍게 형성하는 이유는 셀영역의 하드마스크층은 매립 워드라인을 형성하기 위한 워드라인 트렌치의 식각 마스크로 사용되기 때문이다.The reason why the hard mask layer of the cell region is formed relatively thicker than the hard mask layer of the peripheral circuit region is that the hard mask layer of the cell region is used as an etching mask of a word line trench for forming a buried word line.
도 4를 참조하면, 하드마스크층(110) 상부에 매립 워드라인 영역을 정의하는 감광막 패턴(미도시)을 형성한 후 이를 식각 마스크로 하드마스크층(110)을 식각하여 하드마스크층(110) 패턴을 형성한다. 이어서 하드마스크층(110) 패턴을 식각 마스크로 셀영역을 일정 깊이 식각하여 워드라인 트렌치(미도시)를 형성한다. 즉, 셀영역에서 활성영역(102)의 장축 방향과 교차되는 방향으로 활성영역(102) 및 소자분리막(104)을 일정 깊이로 식각하여 워드라인 트렌치를 형성한다.Referring to FIG. 4, after forming a photoresist pattern (not shown) defining a buried word line region on the
다음에, 워드라인 트렌치의 내측면을 포함한 기판 전면에 워드라인 산화 막(112) 및 매립 워드라인용 도전층(미도시)을 순차적으로 형성한 후 하드마스크층(110)이 노출될 때까지 이들을 식각하여 평탄화한다. 이때, 매립 워드라인용 도전물질로는 폴리실리콘막, 금속실리사이드막, 금속(알루니늄, 구리 등)막 및 이들의 조합물이 사용될 수 있다.Next, the word
다음에, 건식식각 에치백 방법을 이용하여 워드라인 산화막(112) 및 매립 워드라인용 도전층을 일정 깊이까지 식각하여 매립 워드라인용 도전층이 워드라인 트렌치의 하부에 일정 높이 만큼만 남도록 함으로써 매립 워드라인(114)을 형성한다. 이때, 매립 워드라인(114)의 상부면은 활성영역(102)의 실리콘 기판 상부면보다 낮게 형성된다.Next, the word
다음에 매립 워드라인(114) 상부면을 포함하여 결과물 전면에 산화막(116)을 형성한다.Next, an
도 5를 참조하면, 워드라인 트렌치가 매립되도록 산화막(116) 상부에 캡핑 질화막(118)을 형성한 후 주변회로영역의 제 1 게이트 도전막(108)이 노출될 때까지 캡핑 질화막(118), 산화막(116) 및 하드마스크층(110)을 식각하여 평탄화한다. 이때, 캡핑 질화막(118)의 상부면은 매립 워드라인(114) 양측의 활성영역(102) 즉 후속 공정에서 소오스/드레인이 형성되는 영역 보다 상부레벨에 형성된다.Referring to FIG. 5, after the
이처럼 본 발명에서 매립 워드라인(114)의 상부에 질화막(118)을 형성하는 이유는 후속 공정인 콘택 플러그 형성 공정에서 콘택홀을 형성시 미스 얼라인먼트(mis alignment)가 발생하더라도 콘택홀이 매립 워드라인(114)까지 형성되는 것을 방지하기 위함이다.As such, the reason why the
도 6을 참조하면, 도 5의 결과물 상부에 제 2 게이트 도전막(120) 및 게이트 하드마스크층(122)을 순차적으로 형성한다. 이때, 제 2 게이트 도전막(120)은 제 1 게이트 도전막(108)과 동일한 물질로 형성될 수 있다. 즉, 주변회로영역의 게이트 도전막은 제 1 게이트 도전막(108) 상부에 제 2 게이트 도전막(120)이 증착된 적층구조로 형성된다. Referring to FIG. 6, the second gate
도 7을 참조하면, 게이트 하드마스크층(122) 상부에 감광막(미도시)을 형성한 후 주변회로영역의 게이트를 정의하는 마스크를 이용하여 감광막 패턴(미도시)을 형성한다.Referring to FIG. 7, after forming a photoresist film (not shown) on the gate
다음에, 감광막 패턴을 식각 마스크로하여 게이트 하드마스크층(122), 제 2 게이트 도전막(120), 제 1 게이트 도전막(108) 및 게이트 산화막(106)을 식각함으로써 주변회로영역에 게이트(124)를 패터닝한다.Next, the gate
도 8을 참조하면, 도 7의 결과물 상부에 게이트 스페이서층(미도시)을 형성한 후 이를 식각하여 게이트(124) 측벽에 스페이서(126)를 형성한다.Referring to FIG. 8, a gate spacer layer (not shown) is formed on the resultant of FIG. 7 and then etched to form a
다음에, 결과물 전체에 층간 절연막(128)을 형성한 후 이를 식각하여 평탄화한다. 이어서, 층간 절연막(128) 상부에 비트라인 콘택 및 스토리지노드 콘택을 정의하는 감광막 패턴(미도시)을 형성한 후 이를 식각 마스크로 활성영역(102)의 실리콘 기판(102)이 노출될 때까지 층간 절연막(128), 하드마스크층(110) 및 게이트 산화막(106)을 선택 식각하여 콘택홀(미도시)을 형성한다.Next, the
다음에, 콘택홀에 의해 노출된 활성영역(102)에 고농도의 불순물이온을 주입하여 소오스/드레인 영역(미도시)을 형성한다. 이때, 소오스/드레인 영역의 상부 면은 매립 워드라인(114) 보다 상부레벨에 형성된다.Next, a high concentration of impurity ions are implanted into the
다음에, 콘택홀(미도시)이 매립되도록 도전막을 형성한 후 이를 평탄화 식각하여 콘택 플러그(130)를 형성한다. 이러한 콘택 플러그용 도전막으로는 폴리실리콘막 또는 금속막이 사용될 수 있다. Next, the conductive film is formed to fill the contact hole (not shown), and then the planarization etching is performed to form the
이후 후속공정으로 콘택 플러그(130)와 연결되는 비트라인(미도시) 및 스토리지 노드(미도시)가 형성되며, 이러한 공정은 종래의 비트라인 형성 공정 및 스토리지 노드 형성 공정과 동일한 방법이 사용될 수 있다.Thereafter, a bit line (not shown) and a storage node (not shown) connected to the
도 9는 도 8에서와 같이 콘택 플러그(130)를 형성시 미스 얼라인먼트가 발생한 경우를 보여주는 도면이다.FIG. 9 is a diagram illustrating a case in which a misalignment occurs when the
본 발명에서는 매립 워드라인(114) 상부에 식각선택비가 낮은 질화막(118)을 형성함으로써 콘택 플러그(130)를 형성하기 위한 콘택홀을 형성시 미스 얼라인먼트가 발생하더라도 콘택홀이 매립 워드라인(114)까지 식각되는 것을 방지하여 공정 마진을 향상시켜준다.In the present invention, since the
아울러 본 발명의 바람직한 실시 예는 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.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, additions, and substitutions are possible, and that various modifications, additions and substitutions are possible, within the spirit and scope of the appended claims. As shown in Fig.
도 1은 본 발명에 따른 반도체 소자의 구성을 보여주는 공정 단면도.1 is a process cross-sectional view showing the configuration of a semiconductor device according to the present invention.
도 2 내지 도 8은 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들.2 to 8 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with the present invention.
Claims (11)
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- 2008-12-24 KR KR1020080133219A patent/KR101024771B1/en not_active IP Right Cessation
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