KR20120030872A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 매립형 게이트의 특성을 개선할 수 있는 반도체 소자의 제조 방법에 관련된 기술이다.BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method for manufacturing a semiconductor device capable of improving the characteristics of a buried gate.
반도체 기억 장치는 캐패시터 및 트랜지스터로 구성된 단위셀을 다수 포함하고 있으며, 이중 캐패시터는 데이터를 임시 저장하기 위해 사용되고 트랜지스터는 환경에 따라 전기전도도가 변화하는 반도체의 성질을 이용하여 제어 신호(워드 라인)에 대응하여 비트 라인과 캐패시터간 데이터를 전달하기 위해 사용된다. 트랜지스터는 게이트(gate), 소스(source) 및 드레인(drain)의 세 영역으로 구성되어 있으며, 게이트로 입력되는 제어 신호에 따라 소스와 드레인 간 전하의 이동이 일어난다. 소스와 드레인 간 전하의 이동은 채널(channel) 영역을 통해 이루어진다.The semiconductor memory device includes a plurality of unit cells composed of a capacitor and a transistor, and a double capacitor is used to temporarily store data, and a transistor is used to control signals (word lines) by using a property of a semiconductor whose electrical conductivity varies depending on the environment. Correspondingly used to transfer data between the bit line and the capacitor. The transistor is composed of three regions: a gate, a source, and a drain. The transistor transfers charge between the source and the drain according to a control signal input to the gate. The transfer of charge between the source and drain occurs through the channel region.
통상적인 트랜지스터를 반도체 기판에 만드는 경우 반도체 기판에 게이트를 형성하고 게이트의 양 옆에 불순물을 도핑하여 소스와 드레인을 형성해왔다. 반도체 기억 장치의 데이터 저장용량이 증가하고 집적도는 높아지면서 각각의 단위셀의 크기는 점점 작게 제조되도록 요구되고 있다. 즉, 단위 셀에 포함된 캐패시터와 트랜지스터의 디자인 규칙(Design Rule)이 감소하였고, 이에 따라 셀 트랜지스터의 채널 길이도 점점 줄어들면서 통상적인 트랜지스터에 단채널 효과 및 DIBL(Drain Induced Barrier Lower) 등이 발생하여 동작의 신뢰성이 저하되었다. 채널의 길이가 감소하면서 발생한 현상들은 셀 트랜지스터가 정상적인 동작을 수행할 수 있도록 문턱 전압을 유지할 경우 극복이 가능하다. 통상적으로, 트랜지스터의 채널이 짧아질수록 채널이 형성되는 영역에 불순물의 도핑 농도를 증가시켜왔다.When conventional transistors are made in a semiconductor substrate, a gate is formed on the semiconductor substrate and doped with impurities on both sides of the gate to form a source and a drain. As the data storage capacity of the semiconductor memory device increases and the degree of integration increases, the size of each unit cell is required to be made smaller and smaller. That is, the design rules of the capacitors and transistors included in the unit cell have been reduced. As a result, the channel length of the cell transistors has been gradually reduced, resulting in short channel effects and drain induced barrier lower (DIBL). The reliability of the operation was lowered. Phenomena that occur as the channel length decreases can be overcome by maintaining the threshold voltage so that the cell transistor can perform normal operation. Typically, the shorter the channel of the transistor, the higher the doping concentration of impurities in the region where the channel is formed.
하지만, 디자인 규칙이 100nm 이하로 감소하면서 그만큼 채널 영역에 도핑 농도가 더 증가하는 것은 SN접합(Storage Node(SN) junction)에서의 전계를 증가시켜 반도체 기억 장치의 리프레쉬 특성을 저하시키는 또 다른 문제를 야기한다. 이를 극복하기 위해 디자인 규칙이 감소하더라도 셀 트랜지스터의 채널 길이를 유지할 수 있도록 채널이 수직 방향으로 길게 확보된 3차원 채널 구조를 가진 셀 트랜지스터를 사용한다. 즉, 수평 방향의 채널 폭이 짧더라도 수직 방향으로 채널 길이를 확보한 만큼 도핑 농도를 감소시킬 수 있어 리프레쉬 특성이 나빠지는 것을 막는다.However, as the design rule decreases to less than 100 nm, the increase in doping concentration in the channel region further increases the electric field at the storage node (SN) junction, thereby degrading the refresh characteristics of the semiconductor memory device. Cause. To overcome this problem, a cell transistor having a three-dimensional channel structure having a long channel length in the vertical direction is used to maintain the channel length of the cell transistor even if the design rule is reduced. That is, even if the channel width in the horizontal direction is short, the doping concentration can be reduced by securing the channel length in the vertical direction, thereby preventing the refresh characteristics from deteriorating.
아울러, 반도체 소자의 집적도가 높아질수록 셀 트랜지스터에 연결된 워드 라인과 비트 라인 사이의 거리가 가까워진다. 이로 인해 발생하는 기생 캐패시턴스가 증가하면서 비트 라인을 통해 전달되는 데이터를 증폭하는 센스 앰프의 동작 마진이 악화되어 반도체 장치의 동작 신뢰성에 치명적인 영향을 끼치는 등의 단점이 발생하였다. 이러한 점을 극복하기 위해 비트 라인과 워드 라인 간의 기생 캐패시턴스를 줄이기 위해 워드 라인을 반도체 기판의 상부가 아닌 리세스 내에만 형성하는 매립 워드 라인 구조가 제안되었다. 매립 워드 라인 구조는 반도체 기판 내 형성된 리세스 내에 도전 물질을 형성하고 도전 물질의 상부를 절연막으로 덮어 워드 라인이 반도체 기판 내에 매립되도록 함으로써 소스/드레인이 형성되는 반도체 기판상에 형성되는 비트 라인과의 전기적인 격리를 명확히 할 수 있다.In addition, as the degree of integration of the semiconductor device increases, the distance between the word line and the bit line connected to the cell transistor is closer. As the parasitic capacitance increases, the operating margin of the sense amplifier, which amplifies the data transmitted through the bit line, is deteriorated, which adversely affects the operation reliability of the semiconductor device. In order to overcome this problem, a buried word line structure has been proposed in which word lines are formed only in recesses, not on top of a semiconductor substrate, in order to reduce parasitic capacitance between bit lines and word lines. The buried word line structure is formed with a bit line formed on a semiconductor substrate on which a source / drain is formed by forming a conductive material in a recess formed in the semiconductor substrate and covering the top of the conductive material with an insulating film so that the word line is buried in the semiconductor substrate. Electrical isolation can be clarified.
전술한 바와 같이, 매립 워드 라인 구조는 소스/드레인 정션(Junction)과 워드 라인이 오버랩된 영역이 존재하고 이러한 오버랩된 영역에서 GIDL(Gate Induced Drain Leakage)이 발생한다. 상기 GIDL이 크게 되면 저장된 전하가 방전되어 메모리 리텐션(retention) 특성이 열화되는 문제점이 있다.As described above, in the buried word line structure, a region where the source / drain junction and the word line overlap each other, and a GIDL (Gate Induced Drain Leakage) occurs in the overlapped region. If the GIDL is large, the stored charge is discharged, thereby degrading memory retention characteristics.
전술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 반도체 기판을 식각하여 형성된 리세스 영역에 게이트 전극 물질을 증착한 후 에치백(etchback)하여 매립 게이트(Buried Gate)를 형성한 다음에, 이웃한 매립 게이트 간의 절연을 위하여 절연막을 매립할 때 PSG(phosphosilicate glass)막을 매립하고, 열처리 공정으로 PSG막에 포함된 도펀트(dopant)가 확산되어 정션(junction)을 형성함으로써 리세스 영역의 깊이 또는 게이트 전극 물질이 식각되는 양이 다르더라도 셀(Cell) 간의 동일한 채널 또는 동일한 소스/드레인 거리를 확보할 수 있는 반도체 소자의 제조 방법을 제공한다.In order to solve the above-described conventional problems, the present invention deposits a gate electrode material in a recess region formed by etching a semiconductor substrate, and then etches back to form a buried gate, When filling an insulating film for insulation between buried gates, a PSG (phosphosilicate glass) film is buried, and a dopant included in the PSG film is diffused by a heat treatment process to form a junction to form a junction or a depth of a gate electrode. The present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device capable of securing the same channel or the same source / drain distance between cells even if the amount of the material is etched is different.
본 발명은 반도체 기판에 활성영역을 정의하는 소자분리영역을 형성하는 단계, 상기 반도체 기판을 식각하여 리세스를 형성하는 단계, 상기 리세스 내에 게이트 전극 패턴을 형성하는 단계, 상기 게이트 전극 패턴 상에 PSG(Phosphosilicate glass)막을 형성하는 단계 및 상기 PSG막에 열처리 공정을 실시하여 상기 PSG막에 포함된 불순물을 상기 활성 영역으로 확산시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a method of forming a semiconductor device, the method comprising: forming a device isolation region defining an active region in a semiconductor substrate, forming a recess by etching the semiconductor substrate, forming a gate electrode pattern in the recess, Forming a PSG (Phosphosilicate glass) film and performing a heat treatment process on the PSG film to provide a method for manufacturing a semiconductor device comprising the step of diffusing impurities contained in the PSG film to the active region.
바람직하게는, 상기 반도체 기판에 활성영역을 정의하는 소자분리영역을 형성하는 단계는 상기 반도체 기판에 패드 절연막을 증착하는 단계, 상기 패드 절연막 및 상기 반도체 기판을 식각하여 트렌치를 형성하는 단계 및 상기 트렌치에 절연물질을 증착하고, 상기 패드 절연막이 노출될 때까지 상기 절연물질을 평탄화 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, forming a device isolation region defining an active region in the semiconductor substrate comprises depositing a pad insulating film on the semiconductor substrate, forming a trench by etching the pad insulating film and the semiconductor substrate, and forming the trench. And depositing an insulating material on the insulating material and planarizing etching the insulating material until the pad insulating film is exposed.
바람직하게는, 상기 소자분리영역을 형성한 후, 상기 패드 절연막을 제거한 다음에 제거된 영역에 폴리실리콘층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The method may further include forming a polysilicon layer on the removed region after removing the pad insulating layer after forming the device isolation region.
바람직하게는, 상기 리세스를 형성하는 단계와 상기 리세스 내에 게이트 전극 패턴을 형성하는 단계 사이에 상기 리세스 내에 산화(Oxidation) 공정을 실시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the method further comprises performing an oxidation process in the recess between forming the recess and forming a gate electrode pattern in the recess.
바람직하게는, 상기 리세스의 내에 게이트 전극 패턴을 형성하는 단계는 상기 리세스에 도전물질을 증착하는 단계, 상기 리세스의 상부에 상기 도전물질을 제거하기 위한 에치백(etchback) 공정을 수행하는 단계 및 상기 에치백 공정 후, 상기 리세스의 상부를 세정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The forming of the gate electrode pattern in the recess may include depositing a conductive material in the recess, and performing an etchback process to remove the conductive material on the recess. After the step and the etch back process, characterized in that it comprises the step of cleaning the top of the recess.
바람직하게는, 상기 리세스는 상기 반도체 기판을 비등방 식각하여 형성되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the recess is formed by anisotropically etching the semiconductor substrate.
바람직하게는, 상기 PSG(Phosphosilicate glass)막을 형성하는 단계 이후, 이온 주입 공정을 실시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, after the forming of the PSG (Phosphosilicate glass) film, characterized in that it further comprises the step of performing an ion implantation process.
본 발명은 반도체 기판을 식각하여 형성된 리세스 영역에 게이트 전극 물질을 증착한 후 에치백(etchback)하여 매립 게이트(Buried Gate)를 형성한 다음에, 이웃한 매립 게이트 간의 절연을 위하여 절연막을 매립할 때 PSG(phosphosilicate glass)막을 매립하고, 열처리 공정으로 PSG막에 포함된 도펀트(dopant)가 확산되어 정션(junction)을 형성함으로써 리세스 영역의 깊이 또는 게이트 전극 물질이 식각되는 양이 다르더라도 셀(Cell) 간의 동일한 채널 또는 동일한 소스/드레인 거리를 확보할 수 있는 장점을 가진다.According to the present invention, a gate electrode material is deposited in a recess region formed by etching a semiconductor substrate and then etched back to form a buried gate, and then an insulating film is buried for insulation between neighboring buried gates. In this case, a PSG (phosphosilicate glass) film is embedded, and a dopant included in the PSG film is diffused to form a junction by a heat treatment process, so that even if the depth of the recess region or the amount of gate electrode material is etched is different, the cell ( The same channel or source / drain distance between cells can be secured.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 도시한 단면도들.1A to 1C are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, exemplary embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.1A to 1C are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with the present invention.
도 1a를 참조하면, 반도체 기판상(100)에 패드 절연막(미도시)을 형성한다. 이때, 패드 절연막은 패드 산화막(Pad Oxide) 및 패드 질화막(Pad Nitride)으로 구성되는 것이 바람직하다. 이후, 패드 절연막 상에 감광막을 도포한 후, 소자 분리 영역을 정의하는 마스크를 이용한 노광 및 현상 공정으로 감광막 패턴(미도시)을 형성한다. 감광막 패턴을 식각 마스크로 패드 절연막 및 반도체 기판(100)을 식각하여 트렌치(110)를 형성한다. 이후, 측벽 산화(Wall Oxidation)를 실시하여 트렌치(110)의 바닥 및 측벽에 측벽 산화막(미도시)을 형성한다.Referring to FIG. 1A, a pad insulating film (not shown) is formed on a
다음으로, 측벽 산화막이 형성된 트렌치(110)를 포함한 전면에 라이너 질화막(120) 및 라이너 산화막(130)을 차례로 형성한다. 이때, 라이너 질화막(120)은 반도체 기판(100)이 받는 스트레스를 완화시켜 리프레시(refresh) 특성을 개선하기 위한 것이며, 라이너 산화막(130)은 후속 절연막(HDP막 또는 SOD막) 증착 시 라이너 질화막(120)이 산화 및 식각되는 현상을 방지하기 위한 것이다.Next, the
그리고, 트렌치(110)에 SOD(Silicon On Dielectric) 물질을 매립하고 패드 절연막이 노출될 까지 평탄화 식각하여 소자분리영역(150)을 형성한다.Then, a silicon on dielectric (SOD) material is embedded in the
다음에는, 소자분리영역(150)의 형성 후, 노출된 패드 절연막을 제거한다. 노출된 활성 영역(140) 상에 폴리실리콘층(160)을 형성한다. Next, after forming the
다음으로, 폴리실리콘층(160)을 포함한 전면에 층간 절연막(170) 및 감광막(미도시)을 형성한 후, 리세스 형성용 마스크를 이용한 노광 및 현상 공정으로 감광막 패턴(미도시)을 형성한다. 이때, 층간 절연막(170)은 산화막(Oxide)을 포함하는 것이 바람직하다. 감광막 패턴을 식각 마스크로 층간 절연막(170), 폴리실리콘층(160) 및 반도체 기판(100)을 식각하여 리세스(180)를 형성한다.Next, an
도 1b를 참조하면, 리세스(180) 내에 게이트 절연막(미도시) 및 게이트 전극 물질(미도시)을 순차적으로 형성한 후, 게이트 전극 물질을 에치백(etchback)하여 리세스 영역(180) 내에 게이트 전극 패턴(190)을 형성한다. 이때, 게이트 전극 물질은 티타늄질화막(TiN) 또는 티타늄질화막(TiN)과 텅스텐(W)의 적층 구조로 형성하는 것이 바람직하다. 여기서, 게이트 절연막은 산화(Oxidation) 공정을 실시하여 리세스(180) 내에 형성되며, 산화(Oxidation) 공정은 열(thermal) 처리 방식 또는 플라즈마(plasma) 처리 방식을 이용하는 것이 바람직하다. Referring to FIG. 1B, a gate insulating film (not shown) and a gate electrode material (not shown) are sequentially formed in the
도 1c를 참조하면, 리세스(180) 내부의 게이트 전극 패턴(190) 상부에 캡핑막(200, Capping Layer)을 매립한다. 이때, 캡핑막(200)은 PSG(phosphosilicate glass)막으로 형성하는 것이 바람직하다. 여기서, 도 1c의 A 영역을 확대하여 보면, 캡핑막(200)에 열처리를 실시하여 캡핑막(200)에 포함된 도펀트(dopant)가 활성 영역(140)으로 확산되어 정션(210, junction)이 형성된다.Referring to FIG. 1C, a
전술한 바와 같이, 본 발명은 반도체 기판을 식각하여 형성된 리세스 영역에 게이트 전극 물질을 증착한 후 에치백(etchback)하여 매립 게이트(Buried Gate)를 형성한 다음에, 이웃한 매립 게이트 간의 절연을 위하여 절연막을 매립할 때 PSG(phosphosilicate glass)막을 매립하고, 열처리 공정으로 PSG막에 포함된 도펀트(dopant)가 확산되어 정션(junction)을 형성함으로써 리세스 영역의 깊이 또는 게이트 전극 물질이 식각되는 양이 다르더라도 셀(Cell) 간의 동일한 채널 또는 동일한 소스/드레인 거리를 확보할 수 있는 장점을 가진다.As described above, the present invention deposits a gate electrode material in a recessed region formed by etching a semiconductor substrate, and then etches back to form a buried gate, and then insulation between neighboring buried gates is removed. In order to bury the insulating film to fill the PSG (phosphosilicate glass), and the heat treatment process the dopant (dopant) included in the PSG film is diffused to form a junction (etching) the amount of the depth of the recess region or the gate electrode material is etched Although different, the same channel or the same source / drain distance between cells can be secured.
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.
Claims (7)
상기 반도체 기판을 식각하여 리세스를 형성하는 단계;
상기 리세스 내에 게이트 전극 패턴을 형성하는 단계;
상기 게이트 전극 패턴 상에 PSG(Phosphosilicate glass)막을 형성하는 단계; 및
상기 PSG막에 열처리 공정을 실시하여 상기 PSG막에 포함된 불순물을 상기 활성 영역으로 확산시키는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.Forming an isolation region defining an active region in the semiconductor substrate;
Etching the semiconductor substrate to form a recess;
Forming a gate electrode pattern in the recess;
Forming a PSG (Phosphosilicate glass) film on the gate electrode pattern; And
Performing a heat treatment process on the PSG film to diffuse impurities contained in the PSG film into the active region;
And forming a second insulating film on the semiconductor substrate.
상기 반도체 기판에 활성영역을 정의하는 소자분리영역을 형성하는 단계는
상기 반도체 기판에 패드 절연막을 증착하는 단계;
상기 패드 절연막 및 상기 반도체 기판을 식각하여 트렌치를 형성하는 단계; 및
상기 트렌치에 절연물질을 증착하고, 상기 패드 절연막이 노출될 때까지 상기 절연물질을 평탄화 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.The method of claim 1,
Forming an isolation region defining an active region in the semiconductor substrate is
Depositing a pad insulating film on the semiconductor substrate;
Etching the pad insulating layer and the semiconductor substrate to form a trench; And
Depositing an insulating material in the trench and planarizing etching of the insulating material until the pad insulating film is exposed.
상기 소자분리영역을 형성한 후, 상기 패드 절연막을 제거한 다음에 제거된 영역에 폴리실리콘층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법. The method of claim 2,
And forming a polysilicon layer on the removed region after the pad insulating layer is formed after the device isolation region is formed.
상기 리세스를 형성하는 단계와 상기 리세스 내에 게이트 전극 패턴을 형성하는 단계 사이에 상기 리세스 내에 산화(Oxidation) 공정을 실시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.The method of claim 1,
And performing an oxidation process in said recess between forming said recess and forming a gate electrode pattern in said recess.
상기 리세스의 내에 게이트 전극 패턴을 형성하는 단계는
상기 리세스에 도전물질을 증착하는 단계;
상기 리세스의 상부에 상기 도전물질을 제거하기 위한 에치백(etchback) 공정을 수행하는 단계; 및
상기 에치백 공정 후, 상기 리세스의 상부를 세정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.The method of claim 1,
Forming a gate electrode pattern in the recess
Depositing a conductive material in the recess;
Performing an etchback process to remove the conductive material on top of the recess; And
After the etch back process, cleaning the upper portion of the recess.
상기 리세스는 상기 반도체 기판을 비등방 식각하여 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.The method of claim 1,
The recess is formed by anisotropically etching the semiconductor substrate.
상기 PSG(Phosphosilicate glass)막을 형성하는 단계 이후, 이온 주입 공정을 실시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.The method of claim 1,
And forming an ion implantation process after the forming of the PSG (Phosphosilicate glass) film.
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