KR20220009470A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same.
전자 산업의 발전 및 사용자의 요구에 따라 전자기기는 더욱 소형화 및 고성능화되고 있다. 이에 따라 전자기기에 사용되는 반도체 소자 또한 고집적화 및 고성능화가 요구되고 있다. 고성능의 반도체 소자를 제조하기 위해서, RC 지연(RC delay)의 의한 신호 전송 속도가 저하되는 것을 최소화할 수 있도록 인접하는 도전 구조물들 사이의 기생 커패시턴스를 최소화할 수 있는 기술이 요구되고 있다.According to the development of the electronic industry and the needs of users, electronic devices are becoming smaller and higher in performance. Accordingly, semiconductor devices used in electronic devices are also required to be highly integrated and high-performance. In order to manufacture a high-performance semiconductor device, a technique capable of minimizing parasitic capacitance between adjacent conductive structures is required so as to minimize a decrease in signal transmission speed due to RC delay.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 내부에 절연막이 리필(refill)되지 않은 에어 갭을 포함하여, 비트라인들 사이의 커패시턴스가 감소된 반도체 소자를 제공하는 것이다.One of the technical problems to be achieved by the technical idea of the present invention is to provide a semiconductor device in which capacitance between bit lines is reduced by including an air gap in which an insulating layer is not refilled.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 에어 갭 구조 형성 시 리필 현상이 없고, 종횡비(aspect ratio) 증가에도 에어 갭 구조를 안정적으로 구현할 수 있는 반도체 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.One of the technical problems to be achieved by the technical idea of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device that does not have a refill phenomenon when forming an air gap structure and can stably implement an air gap structure even when an aspect ratio is increased.
예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자는, 제1 불순물 영역 및 제2 불순물 영역을 포함하는 기판; 상기 기판 상에서 일 방향으로 연장되며, 상기 제1 불순물 영역과 전기적으로 연결되는 비트라인 구조물; 상기 비트라인 구조물의 적어도 일 측에 배치되어, 상기 제2 불순물 영역과 전기적으로 연결되는 하부 도전 패턴; 상기 하부 도전 패턴 상에 배치되어, 상기 하부 도전 패턴과 전기적으로 연결되는 상부 도전 패턴; 상기 비트라인 구조물과 상기 하부 도전 패턴 사이에 배치되는 에어 갭; 및 상기 에어 갭 상에서, 상기 상부 도전 패턴과 상기 비트라인 구조물 사이에 배치되는 매립 절연 패턴을 포함할 수 있다. 상기 매립 절연 패턴은, 상기 상부 도전 패턴 및 상기 비트라인 구조물의 측벽 상에 배치되며, 상기 상부 도전 패턴의 하부의 적어도 일부를 노출시키는 제1 절연 패턴; 및 상기 제1 절연 패턴에 의해 노출되는 상기 상부 도전 패턴과 접촉하며, 상기 에어 갭의 상부에 배치되는 제2 절연 패턴을 포함할 수 있다.A semiconductor device according to example embodiments may include: a substrate including a first impurity region and a second impurity region; a bit line structure extending in one direction on the substrate and electrically connected to the first impurity region; a lower conductive pattern disposed on at least one side of the bit line structure and electrically connected to the second impurity region; an upper conductive pattern disposed on the lower conductive pattern and electrically connected to the lower conductive pattern; an air gap disposed between the bit line structure and the lower conductive pattern; and a buried insulating pattern disposed on the air gap between the upper conductive pattern and the bit line structure. The buried insulating pattern may include: a first insulating pattern disposed on sidewalls of the upper conductive pattern and the bit line structure and exposing at least a portion of a lower portion of the upper conductive pattern; and a second insulating pattern in contact with the upper conductive pattern exposed by the first insulating pattern and disposed above the air gap.
예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 방법은, 기판 내에 제1 불순물 영역 및 제2 불순물 영역을 형성하고; 상기 기판 상에서 일 방향으로 연장되며, 상기 제1 불순물 영역과 전기적으로 연결되는 비트라인 구조물들을 형성하고; 각각의 상기 비트라인 구조물들의 양 측벽 상에 이너 스페이서를 형성하고; 상기 이너 스페이서 상에 희생 스페이서를 형성하고; 상기 희생 스페이서 상에 아우터 스페이서를 형성하고; 인접하는 상기 아우터 스페이서들 사이에서, 상기 제2 불순물 영역과 전기적으로 연결되는 하부 도전 패턴을 형성하고; 상기 이너 스페이서, 상기 희생 스페이서, 상기 아우터 스페이서 및 상기 하부 도전 패턴을 덮는 상부 도전 패턴을 형성하고; 상기 상부 도전 패턴과 상기 비트라인 구조물에, 상기 희생 스페이서가 노출되도록 제1 개구부를 형성하고; 상기 제1 개구부의 내면 상에 제1 예비 절연 패턴을 컨포멀하게 형성하고; 상기 상부 도전 패턴의 하부의 적어도 일부, 상기 이너 스페이서, 상기 희생 스페이서 및 상기 아우터 스페이서가 노출되도록, 상기 제1 예비 절연 패턴을 부분적으로 제거하여, 제1 절연 패턴을 형성하고; 노출된 상기 희생 스페이서를 제거하여 제2 개구부를 형성하고; 상기 제1 개구부 및 상기 제2 개구부 내에서, 상기 이너 스페이서, 상기 아우터 스페이서 및 상기 제1 절연 패턴의 표면 상에, 증착 방지 물질을 형성하고; 상기 제1 개구부 내에 노출된 상기 상부 도전 패턴 상에 제2 절연 패턴을 형성하고; 상기 증착 방지 물질을 제거하고; 상기 제1 절연 패턴 및 상기 제2 절연 패턴과 접촉하는 제3 절연 패턴을 형성할 수 있다.A method of manufacturing a semiconductor device according to example embodiments may include forming a first impurity region and a second impurity region in a substrate; forming bit line structures extending in one direction on the substrate and electrically connected to the first impurity region; forming inner spacers on both sidewalls of each of the bit line structures; forming a sacrificial spacer on the inner spacer; forming an outer spacer on the sacrificial spacer; forming a lower conductive pattern electrically connected to the second impurity region between the adjacent outer spacers; forming an upper conductive pattern covering the inner spacer, the sacrificial spacer, the outer spacer, and the lower conductive pattern; forming a first opening in the upper conductive pattern and the bit line structure to expose the sacrificial spacer; conformally forming a first preliminary insulating pattern on the inner surface of the first opening; forming a first insulating pattern by partially removing the first preliminary insulating pattern so that at least a portion of a lower portion of the upper conductive pattern, the inner spacer, the sacrificial spacer, and the outer spacer are exposed; removing the exposed sacrificial spacer to form a second opening; forming a deposition preventing material on surfaces of the inner spacer, the outer spacer, and the first insulating pattern in the first opening and the second opening; forming a second insulating pattern on the upper conductive pattern exposed in the first opening; removing the anti-deposition material; A third insulating pattern in contact with the first insulating pattern and the second insulating pattern may be formed.
반도체 소자가 내부에 절연막이 리필되지 않는 에어 갭을 포함함으로써, 비트라인들간 기생 커패시턴스가 감소될 수 있다. 에어 갭의 종횡비가 증가하는 경우에도, 에어 갭 구조를 안정적으로 구현할 수 있다.Since the semiconductor device includes an air gap in which the insulating layer is not refilled, parasitic capacitance between bit lines may be reduced. Even when the aspect ratio of the air gap increases, the air gap structure may be stably implemented.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.Various and advantageous advantages and effects of the present invention are not limited to the above, and will be more easily understood in the course of describing specific embodiments of the present invention.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 개략적인 레이아웃도이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 단면도이다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 단면도이다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 단면도이다.
도 5a 내지 도 5d는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 공정을 설명하기 위한 단면도들이다.1 is a schematic layout diagram of a semiconductor device according to example embodiments.
2 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to example embodiments.
3 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to example embodiments.
4 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to example embodiments.
5A to 5D are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a semiconductor device according to example embodiments.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 다음과 같이 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 개략적인 레이아웃도이다. 도 2는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 단면도이다. 도 2는 도 1에 도시된 반도체 발광 소자를 Ⅰ-Ⅰ' 로 절개하여 본 단면도이다.1 is a schematic layout diagram of a semiconductor device according to example embodiments. 2 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to example embodiments. FIG. 2 is a cross-sectional view of the semiconductor light emitting device shown in FIG. 1 taken along line I-I'.
도 1 및 도 2를 참조하면, 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자(100)는 기판(101), 기판(101) 내에 매립되어 연장되는 워드 라인(WL), 기판(101) 상에서 워드 라인(WL)과 교차하여 연장되는 비트라인 구조물(BLS), 비트라인 구조물(BLS)의 측벽 상에 배치되는 스페이서 구조물(SS). 비트라인 구조물(BLS)의 적어도 일 측에 배치되는 하부 도전 패턴(150), 하부 도전 패턴(150) 상에 배치되는 상부 도전 패턴(160), 및 스페이서 구조물(SS) 상에 배치되는 매립 절연 패턴을 포함할 수 있다.1 and 2 , a
기판(101)은 반도체 물질, 예컨대 Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ화합물 반도체 또는 Ⅱ-Ⅳ족 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, Ⅳ족 반도체는 실리콘, 게르마늄 또는 실리콘-게르마늄을 포함할 수 있다. 기판(101)은 불순물들을 더 포함할 수 있다. 기판(101)은 실리콘 기판, 실리콘-온-인슐레이터(silicon on insulator, SOI) 기판, 게르마늄 기판, 게르마늄-온-인슐레이터(germanium on insulator, GOI) 기판, 실리콘-게르마늄 기판, 또는 에피택셜층을 포함하는 기판일 수 있다.The
활성 영역들(ACT)은 소자 분리 영역(110)에 의해 기판(101) 내에 정의될 수 있다. 활성 영역들(ACT)은 각각 바(bar) 형태일 수 있으며, 기판(101) 내에 일 방향으로 연장되는 아일랜드 형상으로 배치될 수 있다. 활성 영역들(ACT)이 연장되는 방향은, 워드 라인들(WL) 및 비트라인들(BL)의 연장 방향에 대하여 경사진 방향일 수 있다. 활성 영역들(ACT)은 서로 평행하도록 배열되되, 하나의 활성 영역(ACT)의 단부는 이에 인접한 다른 활성 영역(ACT)의 중심에 인접하도록 배열될 수 있다.The active regions ACT may be defined in the
활성 영역(ACT)은 기판(101)의 상면으로부터 소정 깊이의 제1 및 제2 불순물 영역들(105a, 105b)을 가질 수 있다. 제1 및 제2 불순물 영역들(105a, 105b)은 서로 이격될 수 있다. 제1 및 제2 불순물 영역들(105a, 105b)은 워드 라인(WL)에 의해 구성되는 트랜지스터의 소스/드레인 영역으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 하나의 활성 영역(ACT)을 가로지르는 두 개의 워드 라인들(WL) 사이에는 드레인 영역이 형성될 수 있으며, 두 개의 워드 라인들(WL)의 바깥쪽에는 소스 영역이 각각 형성될 수 있다. 소스 영역과 드레인 영역은 실질적으로 동일한 불순물들의 도핑 또는 이온 주입에 의한 제1 및 제2 불순물 영역들(105a, 105b)에 의해 형성되는 것으로, 최종적으로 형성되는 트랜지스터의 회로 구성에 따라 서로 바뀌어 지칭될 수도 있다. 불순물들은 기판(101)과 반대의 도전형을 갖는 도펀트들을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 소스 영역과 드레인 영역에서 제1 및 제2 불순물 영역들(105a, 105b)의 깊이가 서로 다를 수도 있을 것이다.The active region ACT may have first and
소자 분리 영역(110)은 쉘로우 트렌치 소자 분리(shallow trench isolation, STI) 공정에 의하여 형성될 수 있다. 소자 분리 영역(110)은 활성 영역들(ACT)을 둘러싸면서 이들을 서로 전기적으로 분리할 수 있다. 소자 분리 영역(110)은 절연 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 그들의 조합일 수 있다. 소자 분리 영역(110)은 기판(101)이 식각된 트렌치의 너비에 따라 상이한 하단 깊이를 갖는 복수의 영역들을 포함할 수 있다.The
워드 라인(WL)은 기판(101) 내에서 일 방향, 예를 들어 X 방향으로 연장되는 게이트 트렌치 내에 배치될 수 있다. 워드 라인(WL)은 활성 영역(ACT)을 가로질러 X 방향으로 연장되도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 서로 인접하는 한 쌍의 워드 라인들(WL)이 하나의 활성 영역(ACT)을 가로지르도록 배치될 수 있다. 워드 라인(WL)은 BCAT(buried channel array transistor)의 게이트를 구성할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 예시적인 실시예들에서, 워드 라인들(WL)은 기판(101)의 상부에 배치되는 형태를 갖는 것도 가능할 것이다. The word line WL may be disposed in a gate trench extending in one direction, for example, an X direction in the
워드 라인(WL)은 도전성 물질, 예를 들어, 다결정 실리콘(Si), 티타늄(Ti), 티타늄 질화물(TiN), 탄탈륨(Ta), 탄탈륨 질화물(TaN), 텅스텐(W), 텅스텐 질화물(WN), 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 예로, 워드 라인(WL)은 서로 다른 물질로 형성되는 하부 패턴 및 상부 패턴을 포함할 수도 있다.The word line WL may be formed of a conductive material such as polycrystalline silicon (Si), titanium (Ti), titanium nitride (TiN), tantalum (Ta), tantalum nitride (TaN), tungsten (W), or tungsten nitride (WN). ), and at least one of aluminum (Al). For example, the word line WL may include a lower pattern and an upper pattern formed of different materials.
비트라인 구조물(BLS)은 워드 라인(WL)과 수직하게 일 방향, 예를 들어 Y 방향으로 연장될 수 있다. 비트라인 구조물(BLS)은 비트라인(BL) 및 비트라인(BL) 상의 비트라인 캡핑 패턴(BC)을 포함할 수 있다.The bit line structure BLS may extend in one direction, for example, a Y direction, perpendicular to the word line WL. The bit line structure BLS may include a bit line BL and a bit line capping pattern BC on the bit line BL.
비트라인(BL)은 차례로 적층된 제1 도전 패턴(141), 제2 도전 패턴(142), 및 제3 도전 패턴(143)을 포함할 수 있다. 비트라인 캡핑 패턴(BC)은 제3 도전 패턴(143) 상에 배치될 수 있다. 제1 도전 패턴(141)과 기판(101) 사이에 버퍼 절연층(120)이 배치될 수 있으며, 제1 도전 패턴(141)의 일부분(이하, 비트라인 콘택 패턴)은 버퍼 절연층(120)을 관통하여, 활성 영역(ACT)의 제1 불순물 영역(105a)과 접할 수 있다. 비트라인(BL)은 비트라인 콘택 패턴을 통해 제1 불순물 영역(105a)과 전기적으로 연결될 수 있다. 비트라인 콘택 패턴의 하면은 기판(101)의 상면보다 낮은 레벨에 위치할 수 있다.The bit line BL may include a first
제1 도전 패턴(141)은 다결정 실리콘과 같은 물질을 포함할 수 있다. 제1 도전 패턴(141)은 제1 불순물 영역(105a)과 직접 접촉할 수 있다. 제2 도전 패턴(142)은 금속-반도체 화합물을 포함할 수 있다. 금속-반도체 화합물은 예를 들어, 제1 도전 패턴(141)의 일부를 실리사이드화한 층일 수 있다. 예를 들어, 상기 금속-반도체 화합물은 코발트 실리사이드(CoSi), 티타늄 실리사이드(TiSi), 니켈 실리사이드(NiSi), 텅스텐 실리사이드(WSi), 또는 기타 금속 실리사이드를 포함할 수 있다. 제3 도전 패턴(143)은 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 및 알루미늄(Al)과 같은 금속 물질을 포함할 수 있다. 비트라인(BL)을 이루는 도전 패턴들의 개수, 물질의 종류, 및/또는 적층 순서는 실시예들에 따라 다양하게 변경될 수 있다.The first
비트라인 캡핑 패턴(BC)은 제3 도전 패턴(143) 상에 배치될 수 있다. 도 2에 도시하지 않았지만, 비트라인 캡핑 패턴(BC)은 차례로 적층된 복수의 캡핑 패턴들을 포함할 수 있다. 복수의 캡핑 패턴들은 각각 절연 물질, 예를 들어, 실리콘 질화막을 포함할 수 있다. 복수의 캡핑 패턴들은 서로 다른 물질로 이루어질 수 있으며, 동일한 물질을 포함하더라도 물성의 차이에 경계가 구분될 수 있다. 비트라인 캡핑 패턴(BC)을 이루는 캡핑 패턴들의 개수 및/또는 물질의 종류는 실시예들에 따라 다양하게 변경될 수 있다.The bit line capping pattern BC may be disposed on the third
스페이서 구조물들(SS)은 비트라인 구조물들(BLS) 각각의 양 측벽 상에 배치되어 일 방향, 예를 들어, Y 방향으로 연장될 수 있다. 스페이서 구조물들(SS)은 비트라인 구조물(BLS)과 하부 도전 패턴(150)의 사이에 배치될 수 있다. 스페이서 구조물들(SS)은 비트라인(BL)의 측벽들 및 비트라인 캡핑 패턴(BC)의 측벽들을 따라 연장되도록 배치될 수 있다. 하나의 비트라인 구조물(BLS)의 양측에 배치된 한 쌍의 스페이서 구조물들(SS)은 비트라인 구조물(BLS)을 기준으로 비대칭적인 형상을 가질 수 있다.The spacer structures SS may be disposed on both sidewalls of each of the bit line structures BLS to extend in one direction, for example, the Y direction. The spacer structures SS may be disposed between the bit line structure BLS and the lower
스페이서 구조물들(SS)의 각각은 복수의 스페이서 층들을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 각각의 스페이서 구조물들(SS)은 이너 스페이서(171), 아우터 스페이서(173), 및 이너 스페이서(171)와 아우터 스페이서(173) 사이에 배치되는 에어 갭(AG)을 포함할 수 있다.Each of the spacer structures SS may include a plurality of spacer layers. In example embodiments, each of the spacer structures SS may form an
이너 스페이서(171)는 비트라인 구조물(BLS)의 측벽 상에 배치될 수 있다. 이너 스페이서(171)는 버퍼 절연층(120) 또는 매립 패턴(135)의 상면을 따라, 하부 도전 패턴(150)을 향해 연장되는 부분을 포함할 수 있다. 이너 스페이서(171)의 두께는 에어 갭(AG) 및 아우터 스페이서(173)의 두께보다 얇을 수 있다. The
아우터 스페이서(173)는 하부 도전 패턴(150)의 측벽 상에 배치될 수 있다. 아우터 스페이서(173)의 상부는 에어 갭(AG)을 캡핑하도록, 이너 스페이서(171)를 향해 기울어진 부분을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 아우터 스페이서(173)는 단일 층으로 구성되며, 금속-반도체 화합물층(155)의 상부면의 일부를 덮도록 연장될 수 있다. 다만, 아우터 스페이서(173)의 형상은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 아우터 스페이서(173)는 복수의 층을 포함하거나, 금속-반도체 화합물층(155) 상으로 연장되는 부분을 포함하지 않을 수도 있다.The
이너 스페이서(171) 및 아우터 스페이서(173)는 각각 절연 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이너 스페이서(171) 및 아우터 스페이서(173)는 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.Each of the
에어 갭(AG)은 이너 스페이서(171)와 아우터 스페이서(173) 사이에 배치될 수 있다. 에어 갭(AG)의 상면은 제2 절연 패턴(182) 및 제3 절연 패턴(183)에 의해 정의될 수 있다. 에어 갭(AG)은 이너 스페이서(171) 및 아우터 스페이서(173)의 상부면보다 높을 레벨까지 연장될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 에어 갭(AG)은 이너 스페이서(171), 아우터 스페이서(173), 제1 내지 제3 절연 패턴들(181, 182, 183) 및 비트라인 캡핑 패턴(BC)에 의해 캡핑될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 제3 절연 패턴(183)의 하부면의 위치에 따라, 에어 갭(AG)은 비트라인 캡핑 패턴(BC)과 접촉하지 않으며, 제1 내지 제3 절연 패턴들(181, 182, 183)에 의해 캡핑될 수 있다. 에어 갭(AG)은 이너 스페이서(171), 아우터 스페이서(173) 및 제1 내지 제3 절연 패턴들(181, 182, 183)에 의해 정의될 수도 있다.The air gap AG may be disposed between the
반도체 소자가 고집적화됨에 따라, 도전성 패턴들 사이의 간격이 좁아지면서, 도전성 패턴들 상호 간의 교란(cross talk)이 일어날 수 있으며, 절연막에 의해 전기적으로 분리되는 인접한 도전성 패턴들 사이의 기생 커패시턴스가 증가될 수 있다. 특히, 도전성 패턴들이 비트라인 구조물들인 경우, 인접한 비트라인들 사이의 기생 커패시턴스는 회로에 전달되는 전기 신호의 흐름을 방해할 수 있고, 비트라인 센싱 마진을 감소시킬 수 있다. As semiconductor devices are highly integrated, the distance between conductive patterns becomes narrower, cross talk between the conductive patterns may occur, and parasitic capacitance between adjacent conductive patterns electrically separated by an insulating layer may increase. can In particular, when the conductive patterns are bit line structures, a parasitic capacitance between adjacent bit lines may impede the flow of an electrical signal transmitted to a circuit and may reduce a bit line sensing margin.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자(100)는, 비트라인 구조물(BLS)과 하부 도전 패턴(150) 사이, 및 인접한 비트라인 구조물들(BLS) 사이에 유전율이 낮은 에어 갭(AG)을 포함함으로써, 도전성 패턴들 사이의 기생 커패시턴스가 감소할 수 있다. 더욱이, 제2 절연 패턴(182)으로 에어 갭(AG)의 상부의 일부를 캡핑하고, 나머지 부분을 제3 절연 패턴(183)으로 캡핑함으로써, 에어 갭(AG) 내부로 절연 물질이 리필되는 것을 방지할 수 있다. 이로 인해, 반도체 소자(100)의 기생 커패시턴스가 최소화되어, 동작 안정성이 증가될 수 있다In the
매립 패턴(135)은 스페이서 구조물(SS)의 하부에서, 비트라인 콘택 패턴의 측벽을 감싸도록 배치될 수 있다. 매립 패턴(135)은 절연 물질, 예를 들어 실리콘 질화물을 포함할 수 있다. 실시예들에 따라, 스페이서 구조물(SS) 및 매립 패턴(135)의 형상, 위치 등은 변경될 수 있다. 예를 들어, 이너 스페이서(171)는 비트라인 콘택 패턴의 하부까지 연장되고, 매립 패턴(135)은 이너 스페이서(171) 상에 배치될 수도 있다.The buried
하부 도전 패턴(150)은 활성 영역(ACT)의 일 영역, 예를 들어, 제2 불순물 영역(105b)에 연결될 수 있다. 하부 도전 패턴(150)은 비트라인들(BL)의 사이 및 워드 라인들(WL)의 사이에 배치될 수 있다. 하부 도전 패턴(150)은 버퍼 절연층(120)을 관통하여, 활성 영역(ACT)의 제2 불순물 영역(105b)과 연결될 수 있다. 하부 도전 패턴(150)은 제2 불순물 영역(105b)과 직접 접촉할 수 있다. 하부 도전 패턴(150)의 하면은, 기판(101)의 상면보다 낮은 레벨에 위치할 수 있고, 비트라인 콘택 패턴의 하면보다 높은 레벨에 위치할 수 있다.The lower
하부 도전 패턴(150)은 스페이서 구조물(SS) 및 매립 패턴(135)에 의해 비트라인 콘택 패턴과 절연될 수 있다. 하부 도전 패턴(150)은 도전성 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 다결정 실리콘(Si), 티타늄(Ti), 티타늄 질화물(TiN), 탄탈륨(Ta), 탄탈륨 질화물(TaN), 텅스텐(W), 텅스텐 질화물(WN), 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 하부 도전 패턴(150)은 복수의 층들을 포함할 수 있다.The lower
하부 도전 패턴(150)과 상부 도전 패턴(160) 사이에 금속-반도체 화합물층(155)이 배치될 수 있다. 금속-반도체 화합물층(155)은 예를 들어, 하부 도전 패턴(150)이 반도체 물질을 포함하는 경우, 하부 도전 패턴(150)의 일부를 실리사이드화한 층일 수 있다. 금속-반도체 화합물층(155)은 예를 들어, 코발트 실리사이드(CoSi), 티타늄 실리사이드(TiSi), 니켈 실리사이드(NiSi), 텅스텐 실리사이드(WSi), 또는 기타 금속 실리사이드를 포함할 수 있다. 실시예들에 따라, 금속-반도체 화합물층(155)은 생략되는 것도 가능하다.A metal-
상부 도전 패턴(160)은 하부 도전 패턴(150) 상에 배치될 수 있다. 상부 도전 패턴(160)은 스페이서 구조물들(SS) 사이로 연장되어 금속-반도체 화합물층(155)의 상면을 덮을 수 있다. The upper
상부 도전 패턴(160)은 각각 배리어층(162) 및 도전층(164)을 포함할 수 있다. 배리어층(162)은 도전층(164)의 하면 및 측벽들을 덮을 수 있다. 배리어층(162)은 금속 질화물, 예를 들어 티타늄 질화물(TiN), 탄탈륨 질화물(TaN), 및 텅스텐 질화물(WN) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 도전층(164)은 도전성 물질, 예를 들어 다결정 실리콘(Si), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 몰리브데넘(Mo), 백금(Pt), 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 티타늄 질화물(TiN), 탄탈륨 질화물(TaN), 및 텅스텐 질화물(WN) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The upper
상부 도전 패턴(160)은, 하부 도전 패턴(150) 및 금속-반도체 화합물층(155)과 함께, 게이트 콘택 플러그(CP)를 구성할 수 있다.The upper
매립 절연 패턴은 제1 절연 패턴(181), 제2 절연 패턴(182) 및 제3 절연 패턴(183)을 포함할 수 있다. 매립 절연 패턴은 상부 도전 패턴(160)을 관통하도록 배치될 수 있다. 상부 도전 패턴들(160)은 매립 절연 패턴에 의해 복수 개로 분리될 수 있다.The buried insulating pattern may include a first
제1 내지 제3 절연 패턴들(181, 182, 183) 각각은 절연 물질, 예를 들어, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 실리콘 탄질화물, 실리콘 산탄질화물 또는 그들의 조합을 포함할 수 있다. 제1 내지 제3 절연 패턴들(181, 182, 183)은 서로 동일한 물질을 포함하거나, 다른 물질을 포함할 수 있다.Each of the first to third
제1 절연 패턴(181)은 상부 도전 패턴(160) 및 비트라인 구조물(BLS)의 측벽을 덮도록 배치될 수 있다. 제1 절연 패턴(181)은 상부 도전 패턴(160)의 일 측벽의 하부를 노출시킬 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제1 절연 패턴(181)은 배리어층(162) 및 도전층(164)의 적어도 일부를 노출시킬 수 있다.The first
제2 절연 패턴(182)은 제1 절연 패턴(181)에 의해 노출되는 상부 도전 패턴(160)의 표면에 배치될 수 있다. 제2 절연 패턴(182)은 상부 도전 패턴(160)과 접촉할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제2 절연 패턴(182)은 배리어층(162) 및 도전층(164)의 적어도 일부와 접촉할 수 있다. 상부 도전 패턴(160)은 도전 물질을 포함하는 반면, 상부 도전 패턴(160)과 접촉하도록 배치되는 제2 절연 패턴(182)은 절연 물질을 포함할 수 있다. 제2 절연 패턴(182)은 상부 도전 패턴(160) 상에 배치된 제1 절연 패턴(181) 및 아우터 스페이서(173)와 겹쳐지지 않도록 배치될 수 있다.The second
제2 절연 패턴(182)은 상부 도전 패턴(160)과 접촉하며, 비트라인 구조물(BLS)의 측벽 상에 배치되는 제1 절연 패턴(181)을 향해 연장될 수 있다. 제2 절연 패턴(182)은 비트라인 구조물(BLS)의 측벽 상에 배치되는 제1 절연 패턴(181), 비트라인 구조물(BLS) 및 이너 스페이서(171)와 접촉하지 않도록 배치될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제2 절연 패턴(182)은 약 0nm 초과 약 2nm 이하의 간격을 두고, 제1 절연 패턴(181), 비트라인 구조물(BLS) 및 이너 스페이서(171)와 분리될 수 있다. 다만, 상기 분리 간격은 이에 한정되지 않으며, 후술하는 제조 공정(도 5d 등)에서의 증착 방지 패턴(IH)의 분자 크기 등을 고려하여 변경될 수도 있다.The second
제3 절연 패턴(183)은 제2 절연 패턴(182) 상에서 제1 절연 패턴(181)과 접촉하도록 배치될 수 있다. 제3 절연 패턴(183)은 제1 절연 패턴(181)에 의해 정의되는 빈 공간을 채우고, 제2 절연 패턴(182)의 표면의 적어도 일부를 덮도록 배치될 수 있다. 제3 절연 패턴(183)의 하면은, 제2 절연 패턴(182)과 비트라인 구조물(BLS)의 측벽 상에 배치된 제1 절연 패턴(181) 사이에 배치될 수 있다. 제3 절연 패턴(183)의 하면은, 기판(101)의 상면은 평평한 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 제3 절연 패턴(183)의 하면은 상부를 향해 볼록하거나 오목한 형상을 갖거나, 기울어진 평면 형상을 가질 수도 있다.The third
제1 내지 제3 절연 패턴들(181, 182, 183)은 에어 갭(AG)을 캡핑할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제2 및 제3 절연 패턴들(182, 183)은 에어 갭(AG)의 상면을 정의할 수 있다. 제2 절연 패턴(182)은 에어 갭(AG)의 상부를 캡핑하고, 제2 절연 패턴(182)에 의해 캡핑되지 않은 나머지 부분은 제3 절연 패턴(183)에 의해 캡핑될 수 있다. 제1 절연 패턴(181)은 에어 갭(AG)의 측면의 적어도 일부를 구성할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 실시예들에 따라, 제3 절연 패턴(183)의 하면이 제1 절연 패턴(181)의 하단보다 낮은 레벨에 배치되는 경우, 제1 절연 패턴(181)은 에어 갭(AG)과 접촉되지 않을 수도 있다.The first to third
도 2에 도시된 실시형태와 달리, 제1 내지 제3 절연 패턴들(181, 182, 183)이 이너 스페이서(171) 및 아우터 스페이서(173)의 상단을 덮도록 연장되는 경우, 이너 스페이서(171)와 아우터 스페이서(173)의 측벽 사이의 에어 갭(AG) 내부에 절연 물질이 의도치 않게 형성되어, 에어 갭(AG) 내부가 리필(refill)되는 문제가 발생될 수 있다. 예를 들어, 제1 절연 패턴(181)이 연속된 절연막의 형상을 갖는 경우, 또는 제3 절연 패턴(183)이 이너 스페이서(171) 및 아우터 스페이서(173)의 상부를 덮도록 연장되는 경우, 절연 물질이 에어 갭(AG) 내부에 형성되어, 에어 갭(AG)에 절연 물질이 리필될 수 있다. 이로 인해, 에어 갭(AG)에 의한 기생 커패시턴스 감소의 효과가 감소할 수 있다.Unlike the embodiment illustrated in FIG. 2 , when the first to third
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자(100)의 경우, 제1 내지 제3 절연 패턴들(181, 182, 183)은 에어 갭(AG)의 양 측에 배치된 이너 스페이서(171) 및 아우터 스페이서(173)와 접촉하지 않을 수 있다. 제2 절연 패턴(182)은, 상부 도전 패턴(160)과 접촉하도록 배치되어, 비트라인 구조물(BLS)을 향해 연장되는 형상을 가질 수 있다. 제1 내지 제3 절연 패턴들(181, 182, 183)이 이와 같은 형상을 가짐으로써, 이로 인해, 이너 스페이서(171) 및 아우터 스페이서(173)의 측벽 사이의 에어 갭(AG) 내부로, 절연 물질이 리필되는 문제가 해소될 수 있다.As shown in FIG. 2 , in the case of the
도 3 및 도 4는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 단면도들이다. 도 3 및 도 4의 실시예에서, 앞선 도 1 및 도 2와 동일한 도면 번호는 대응되는 구성을 나타내며, 상술한 내용과 중복되는 설명은 생략한다. 도 3 및 도 4의 실시예에서, 앞선 도 1 및 도 2와 동일한 도면 번호를 가지지만 알파벳이 다른 경우에는, 도 1 및 도 2와 다른 실시예를 설명하기 위한 것이며, 앞서 서술한 동일한 도면 번호에서 설명한 특징은 동일하거나 유사할 수 있다.3 and 4 are cross-sectional views of semiconductor devices according to example embodiments. In the embodiment of FIGS. 3 and 4 , the same reference numerals as in FIGS. 1 and 2 indicate corresponding configurations, and a description overlapping with the above description will be omitted. In the embodiment of Figs. 3 and 4, in the case of having the same reference numerals as those of Figs. 1 and 2, but having a different alphabet, it is for explaining an embodiment different from Figs. 1 and 2, and the same reference numbers described above The features described in may be the same or similar.
도 3의 반도체 소자(100a)는, 제2 절연 패턴(182a)의 형상 및 증착 방지 패턴(IHa)에 있어서, 도 1 및 도 2의 반도체 소자(100)와 차이가 있다.The
도 3을 참조하면, 제2 절연 패턴(182a)은 비트라인 구조물(BLS) 상에 배치된 제1 절연 패턴(181)과 접촉하도록 배치될 수 있다. 제2 절연 패턴(182a)은 상부 도전 패턴(150) 및 비트라인 구조물(BLS) 상에 배치된 제1 절연 패턴(181)과 접촉하며, 에어 갭(AG)을 캡핑할 수 있다. 에어 갭(AG)은 이너 스페이서(171), 아우터 스페이서(173) 및 제2 절연 패턴(182a)에 의해 정의될 수 있다.Referring to FIG. 3 , the second
도 3에 도시된 실시예에서, 제2 절연 패턴(182a)은 비트라인 구조물(BLS) 상에 배치된 제1 절연 패턴(181)과 접하도록 배치되어 있으나, 이에 한정되지 않는다. 제1 절연 패턴(181)의 길이, 스페이서 구조물(SS)의 높이, 제2 절연 패턴(182a)의 형상 등에 따라, 제2 절연 패턴(182a)은 비트라인 캡핑 패턴(BC) 또는 이너 스페이서(171)와 접하도록 배치될 수도 있다.3 , the second
증착 방지 패턴(IHa)은, 에어 갭(AG)을 정의하는 이너 스페이서(171) 및 아우터 스페이서(173)의 표면에 배치될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 증착 방지 패턴(IHa)은 에어 갭(AG) 내부의 표면 전체를 덮도록 배치될 수 있다. 증착 방지 패턴(IHa)은 이너 스페이서(171), 아우터 스페이서(173)의 표면에 절연 물질이 증착되는 것을 방지(blocking)할 수 있다. 이로 인해, 에어 갭(AG) 내부에 절연 물질이 리필되는 것이 더욱 효과적으로 방지될 수 있다. 증착 방지 패턴(IHa)에 포함된 물질은, 절연 물질의 형성을 방지하는 것이라면, 종류가 제한되지 않는다. 예시적인 실시예들에서, 증착 방지 패턴(IHa)에 포함된 물질은 지방족 화합물(Aliphatic compounds), 방향족 화합물(Aromatic compounds), 고리 화합물(Cyclic compound) 등을 포함할 수 있다.The deposition prevention pattern IHa may be disposed on surfaces of the
도 4의 반도체 소자(100b)는, 증착 방지 패턴(IHb)에 있어서, 도 3의 반도체 소자(100a)와 차이가 있다. The
도 4를 참조하면, 증착 방지 패턴(IHb)은 에어 갭(AG)의 상부에만 배치될 수 있다. 에어 갭(AG)의 상부에 배치된 증착 방지 패턴(IHb)은, 에어 갭(AG) 내부로 절연 물질이 리필되는 것을 방지할 수 있다. 증착 방지 패턴(IHb)의 배치되는 범위는 도 4에 도시된 것에 한정되지 않는다. 제1 내지 제3 절연 패턴들(181, 182, 183)에 포함된 절연 물질의 종류, 에어 갭(AG)의 종횡비(Aspect ratio) 등에 따라, 증착 방지 패턴(IHb)의 배치 영역이 확장 또는 감축될 수도 있다.Referring to FIG. 4 , the deposition prevention pattern IHb may be disposed only over the air gap AG. The deposition prevention pattern IHb disposed on the air gap AG may prevent the insulating material from being refilled into the air gap AG. An arrangement range of the deposition prevention pattern IHb is not limited to that illustrated in FIG. 4 . Depending on the type of insulating material included in the first to third
도 5a 내지 도 5d는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 공정을 도시하기 위한 단면도들이다. 도 5a 내지 도 5d는, 도 1 및 도 2에 도시된 반도체 소자(100)의 제조 공정을 도시하기 위한 단면도들이다.5A to 5D are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a semiconductor device according to example embodiments. 5A to 5D are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of the
도 5a를 참조하면, 기판(101)에 소자 분리 영역(110)을 형성하여, 활성 영역(ACT)을 정의할 수 있다. 기판(101)에 소자 분리 트렌치를 형성할 수 있으며, 소자 분리 영역(110)은 소자 분리 트렌치를 채움으로써 형성될 수 있다. 평면적으로, 활성 영역(ACT)은 길쭉한 바(bar) 형태일 수 있다. 소자 분리 영역(110)을 이온 주입 마스크로 이용하여 이온 주입 공정을 진행하여, 활성 영역(ACT)의 상부에 불순물 영역을 형성할 수 있다. 활성 영역(ACT) 및 소자 분리 영역(110)을 패터닝하여 X 방향으로 연장하는 트렌치를 형성하고, 트렌치 내부에 워드 라인(WL)을 형성할 수 있다. 한 쌍의 워드 라인(WL)이 활성 영역(ACT)을 가로지를 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 워드 라인(WL)에 의해 불순물 영역들도 분리되어, 제1 불순물 영역(105a)과 제2 불순물 영역(105b)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 5A , the
기판(101)의 전면 상에 절연층과 도전층을 차례로 형성하고 패터닝하여 차례로 적층된 버퍼 절연층(120)과 제1 도전 패턴(141)을 형성할 수 있다. 버퍼 절연층(120)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 및 실리콘 산질화물 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 버퍼 절연층(120)과 제1 도전 패턴(141)을 식각 마스크로 이용하여 소자 분리 영역(110) 및 기판(101)을 식각하여 비트라인 콘택 홀을 형성할 수 있다. 비트라인 콘택 홀은 제1 불순물 영역(105a)을 노출시킬 수 있다.An insulating layer and a conductive layer are sequentially formed and patterned on the entire surface of the
비트라인 콘택 홀을 채우는 비트라인 콘택 패턴을 형성할 수 있다. 비트라인 콘택 패턴을 형성하는 것은, 비트라인 콘택 홀을 채우는 도전층을 형성하고 평탄화 공정을 수행하는 것을 포함할 수 있다. 일 예로, 비트라인 콘택 패턴은 폴리 실리콘으로 형성될 수 있다. 제1 도전 패턴(141) 상에 차례로 제2 도전 패턴(142), 제3 도전 패턴(143) 및 비트라인 캡핑 패턴(BC)을 형성한 후, 비트라인 캡핑 패턴(BC)을 식각 마스크로 제1 내지 제3 도전 패턴(141, 142, 143)을 차례로 식각할 수 있다. 그 결과, 제1 내지 제3 도전 패턴(141, 142, 143)을 포함하는 비트라인(BL)과 비트라인 캡핑 패턴(BC)을 포함하는 비트라인 구조물(BLS)을 형성할 수 있다.A bit line contact pattern may be formed to fill the bit line contact hole. Forming the bit line contact pattern may include forming a conductive layer filling the bit line contact hole and performing a planarization process. For example, the bit line contact pattern may be formed of polysilicon. A second
비트라인 콘택 패턴의 측면들 상에 매립 패턴(135)을 형성할 수 있다. 매립 패턴(135)은 비트라인 콘택 홀을 채울 수 있다. 매립 패턴(135)은 비트라인 콘택 홀을 완전히 채우고, 비트라인 구조물(BLS)의 측벽과 상면을 덮는 절연막을 형성하고, 상기 절연막에 식각 공정을 수행함으로써, 비트라인 콘택 홀 내에 매립 패턴(135)을 국부적으로 형성할 수 있다. 매립 패턴(135)은 예를 들어, 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.A buried
비트라인 구조물(BLS)의 측면들 상에 예비 스페이서 구조물(SS')을 형성할 수 있다. 예비 스페이서 구조물(SS')은 복수의 층들로 형성될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 예비 스페이서 구조물(SS')은 이너 스페이서(171), 희생 스페이서(172) 및 아우터 스페이서(173)를 포함할 수 있다. 기판(101)의 상면 및 비트라인 구조물(BLS)의 표면을 따라, 이너 스페이서(171), 희생 스페이서(172) 및 아우터 스페이서(173)가 순차적으로 컨포멀하게 형성될 수 있다. 스페이서들(171, 172, 173)은 서로 다른 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이너 스페이서(171)는 실리콘 질화물을 포함하고, 희생 스페이서(172)는 실리콘 산화물을 포함하고, 아우터 스페이서(173)는 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.A preliminary spacer structure SS′ may be formed on side surfaces of the bit line structure BLS. The preliminary spacer structure SS′ may be formed of a plurality of layers. In example embodiments, the preliminary spacer structure SS′ may include an
인접한 예비 스페이서 구조물들(SS') 사이에 하부 도전 패턴(150)이 형성될 수 있다. 펜스 절연 패턴들(미도시)을 식각 마스크로 하는 이방성 식각 공정을 수행하여, 제2 불순물 영역(105b)을 노출시키는 개구부를 형성한 뒤, 다결정 실리콘(Si) 등과 같은 도전 물질을 채움으로써, 하부 도전 패턴(150)을 형성할 수 있다.A lower
하부 도전 패턴(150) 상에 금속-반도체 화합물층(155)을 형성할 수 있다. 금속-반도체 화합물층(155)의 형성은 금속층의 증착 공정 및 열처리 공정을 포함할 수 있다.A metal-
비트라인 구조물(BLS), 스페이서 구조물(SS), 하부 도전 패턴(150) 및 금속 반도체 화합물층(155)을 덮도록, 배리어층(162) 및 도전층(164)을 차례로 증착할 수 있다. 배리어층(162) 및 도전층(164)은 상부 도전 패턴(160)을 구성할 수 있다.A
상부 도전 패턴(160) 및 비트라인 구조물(BLS)을 함께 식각하여, 제1 개구부(OP1)를 형성할 수 있다. 제1 개구부(OP1)는 희생 스페이서(172)가 노출되는 깊이까지 식각될 수 있다. 제1 개구부(OP1)에 의해, 예비 스페이서 구조물(SS'), 배리어층(162), 도전층(164) 및 비트라인 캡핑 패턴(BC)이 노출될 수 있다. 제1 개구부(OP1)에 의해, 예비 스페이서 구조물(SS')은 비트라인 구조물(BLS)을 기준으로 비대칭적인 형상을 가질 수 있다.The upper
제1 개구부(OP1) 및 상부 도전 패턴(160)의 표면을 컨포멀하게 덮도록, 제1 예비 절연 패턴(181')이 형성될 수 있다. 제1 예비 절연 패턴(181')은 절연 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 실리콘 탄질화물 및 실리콘 산탄질화물 중 하나 이상을 포함할 수 있다. A first preliminary insulating
도 5b를 참조하면, 제1 예비 절연 패턴(181')의 식각 공정에 의해, 제1 절연 패턴(181)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 예비 절연 패턴(181')에 이방성 식각 공정이 수행될 수 있다.Referring to FIG. 5B , the first
식각 공정에 의해, 상부 도전 패턴(160)의 상부면, 상부 도전 패턴(160)의 하부의 적어도 일부, 및 예비 스페이서 구조물(도 5a의 SS')이 노출될 수 있다. 제1 개구부(OP1)에 의해 노출된 희생 스페이서(도 5a의 172)를 선택적으로 제거할 수 있다. 이에 따라, 제2 개구부(OP2)가 형성될 수 있다. 제2 개구부(OP2)를 통해 이너 스페이서(171) 및 아우터 스페이서(173)의 측벽들이 노출될 수 있다. 희생 스페이서(도 5a의 172)는 이너 스페이서(171) 및 아우터 스페이서(173)에 대해 선택 식각비를 가질 수 있다. 희생 스페이서(도 5a의 172)는 예를 들어, 불산(HF) 등을 이용한 습식 식각 공정으로 제거될 수 있다.Through the etching process, the upper surface of the upper
도 5c를 참조하면, 제1 개구부(OP1) 및 제2 개구부(OP2) 내부에서, 제1 절연 패턴(181), 이너 스페이서(171), 아우터 스페이서(173) 및 비트라인 캡핑 패턴(BC)의 표면 상에 증착 방지 패턴(IH)이 형성될 수 있다.Referring to FIG. 5C , the first
증착 방지 패턴(IH)을 형성하기 전에, 제1 절연 패턴(181), 이너 스페이서(171), 아우터 스페이서(173) 및 비트라인 캡핑 패턴(BC)의 표면에 전처리 공정을 수행할 수 있다. 전처리 공정에 의해, 제1 절연 패턴(181), 이너 스페이서(171), 아우터 스페이서(173) 및 비트라인 캡핑 패턴(BC)의 표면의 흡착 활성화 에너지가 조절되어, 증착 방지 패턴(IH)의 형성이 용이해질 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 표면 산화의 전처리 공정이 수행될 수 있다. 예를 들어, 산소 라디칼을 이용하여, 제1 절연 패턴(181), 이너 스페이서(171), 아우터 스페이서(173) 및 비트라인 캡핑 패턴(BC)의 표면의 산화 공정이 수행될 수 있다.Before the deposition prevention pattern IH is formed, a pretreatment process may be performed on the surfaces of the first
이후, 제1 절연 패턴(181), 이너 스페이서(171), 아우터 스페이서(173) 및 비트라인 캡핑 패턴(BC)의 표면에 물질층을 형성하여 화학 반응을 통해, 증착 방지 패턴(IH)을 형성할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제1 절연 패턴(181), 이너 스페이서(171), 아우터 스페이서(173) 및 비트라인 캡핑 패턴(BC)이 실리콘 질화물을 포함하는 경우, 표면에 알데하이드(Aldehyde) 또는 알코올(Alcohol)을 포함하는 물질층을 형성할 수 있다. 실리콘 질화물의 표면 아민기는 물질층과 반응하여, 알킬 터미네이션된(Alkyl-terminated) 증착 방지 패턴(IH)이 형성될 수 있다.Thereafter, a material layer is formed on the surfaces of the first
증착 방지 패턴(IH)은, 절연 물질을 포함하는 제1 절연 패턴(181), 이너 스페이서(171), 아우터 스페이서(173) 및 비트라인 캡핑 패턴(BC)의 표면 상에만 형성되고, 상부 도전 패턴(160) 상에는 증착되지 않을 수 있다.The deposition prevention pattern IH is formed only on the surfaces of the first
도 5d를 참조하면, 제1 개구부(OP1) 내에 노출된 상부 도전 패턴(160)의 표면 상에 제2 절연 패턴(182)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 5D , a second
상부 도전 패턴(160)의 표면 상에 절연 물질을 증착하여, 제2 절연 패턴(182)을 형성할 수 있다. 예시적인 실시예뜰에서, 상부 도전 패턴(160)의 표면에 절연 물질을 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 또는 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)하여, 제2 절연 패턴(182)을 형성할 수 있다. 제1 절연 패턴(181), 이너 스페이서(171), 아우터 스페이서(173) 및 비트라인 캡핑 패턴(BC)의 표면 상에는, 앞선 도 5c의 공정에서의 증착 방지 패턴(IH)이 형성되어 있으므로, 절연 물질이 증착되지 않을 수 있다. 절연 물질을 포함하는 제1 절연 패턴(181), 이너 스페이서(171), 아우터 스페이서(173) 및 비트라인 캡핑 패턴(BC)의 표면 상에는 제2 절연 패턴(182)을 형성하지 않고, 도전 물질을 포함하는 상부 도전 패턴(160)의 표면에만 선택적으로 제2 절연 패턴(182)을 형성할 수 있다.The second
도 5d에 도시된 바와 같이, 제2 절연 패턴(182)은, 비트라인 구조물(BLS) 상에 배치된 제1 절연 패턴(181)과 접촉하지 않을 때까지 증착될 수 있다. 제2 절연 패턴(182)은 비트라인 구조물(BLS) 상에 배치된 제1 절연 패턴(181)과 일정 간격만큼 분리되도록 형성될 수 있다. 제2 절연 패턴(182)과 비트라인 구조물(BLS) 상에 배치된 제1 절연 패턴(181) 사이의 분리 간격은, 후술하는 증착 방지 패턴(IH)의 제거 공정에서, 증착 방지 패턴(IH)에 포함된 물질의 분자 크기 이상일 수 있다. 이로 인해, 후술하는 증착 방지 패턴(IH)의 제거 공정에서, 제2 개구부(OP2) 내에 형성된 증착 방지 패턴(IH)을 용이하게 제거할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제2 절연 패턴(182)과 비트라인 구조물(BLS) 상에 배치된 제1 절연 패턴(181) 사이의 분리 간격은, 약 0nm 초과 약 2nm 이하일 수 있다. 다만, 분리 간격은 이에 한정되지 않으며, 증착 방지 패턴(IH)에 포함된 물질의 종류 등에 따라 달라질 수 있다.As shown in FIG. 5D , the second
제2 절연 패턴(182)의 형상은 도 5d에 도시된 것에 한정되지 않는다. 다른 실시예들에서, 제2 절연 패턴(182)은 비트라인 구조물(BLS) 상에 배치된 제1 절연 패턴(181)과 접촉하도록 형성될 수 있다. 이로 인해, 제2 절연 패턴(182)은 제2 개구부(OP2)를 캡핑할 수 있다. 후술하는 증착 방지 패턴(IH)의 제거 공정에서, 제1 개구부(OP1) 내에 형성된 증착 방지 패턴(IH)은 제거되나, 제2 개구부(OP2) 내에 형성된 증착 방지 패턴(IH)은 제거되지 않을 수 있다. 이로 인해, 도 3에 도시된 반도체 소자(100a)가 제조될 수 있다. 제2 개구부(OP2)는 제2 절연 패턴(도 3의 182a)에 의해 캡핑되어 에어 갭(도 3의 AG)이 형성되고, 에어 갭(도 3의 AG)의 내부에는 증착 방지 패턴(도 3의 IHa)이 잔존할 수 있다.The shape of the second
증착 방지 패턴(IH)의 형상도 도 5d에 도시된 것에 한정되지 않는다. 다른 실시예들에서, 증착 방지 패턴(IH)은 제2 개구부(OP2)의 상단부까지만 형성될 수 있다. 이와 함께, 제2 절연 패턴(182)은 비트라인 구조물(BLS) 상에 배치된 제1 절연 패턴(181)과 접촉하도록 형성되는 경우, 도 4에 도시된 반도체 소자(100b)가 제조될 수 있다. 제2 개구부(OP2)는 제2 절연 패턴(도 4의 182a)에 의해 캡핑되어 에어 갭(도 4의 AG)이 형성될 수 있다. 에어 갭(도 4의 AG)의 내부에는, 상부를 포함하는 일부에서, 증착 방지 패턴(IHb)이 잔존할 수 있다.The shape of the deposition prevention pattern IH is also not limited to that illustrated in FIG. 5D . In other embodiments, the deposition prevention pattern IH may be formed only up to the upper end of the second opening OP2 . In addition, when the second
도 1 및 도 2를 다시 참조하면, 제1 개구부(OP1) 및 제2 개구부(OP2) 내부에 형성된 증착 방지 패턴(IH)이 제거될 수 있다.Referring back to FIGS. 1 and 2 , the deposition prevention pattern IH formed in the first opening OP1 and the second opening OP2 may be removed.
증착 방지 패턴(IH)의 제거 방법은 제한되지 않을 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 증착 방지 패턴(IH)은 어닐링(Annealing)에 의해 제거될 수 있다. 어닐링은 예를 들어, 약 200℃ 내지 약 300℃의 온도 범위에서 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 어닐링 온도는 증착 방지 패턴(IH)에 포함된 물질의 종류에 따라 달라질 수 있다. 다른 실시예들에서, 증착 방지 패턴(IH)은 화학적 에칭(Chemical etching)에 의해 제거될 수 있다. 증착 방지 패턴(IH)은 예를 들어, 플라즈마 처리 공정에 의해 제거될 수 있다. 플라즈마 처리 공정은, 예를 들어 산소 플라즈마 또는 수소 플라즈마를 사용하여 수행될 수 있다.A method of removing the deposition prevention pattern IH may not be limited. In example embodiments, the deposition prevention pattern IH may be removed by annealing. Annealing may be performed, for example, in a temperature range of about 200° C. to about 300° C., but is not limited thereto. The annealing temperature may vary depending on the type of material included in the deposition prevention pattern IH. In other embodiments, the deposition prevention pattern IH may be removed by chemical etching. The deposition prevention pattern IH may be removed by, for example, a plasma treatment process. The plasma treatment process may be performed using, for example, oxygen plasma or hydrogen plasma.
이후, 제1 개구부(도 5d의 OP1) 내부에 제3 절연 패턴(183)을 형성할 수 있다. 제3 절연 패턴(183)은 예를 들어, 상부 도전 패턴(160) 보다 높은 레벨까지 절연 물질을 형성한 후, 에치백 공정을 수행하여 형성될 수 있다.Thereafter, a third
제3 절연 패턴(183)은 제2 절연 패턴(182)과, 비트라인 구조물(BLS) 상에 배치된 제1 절연 패턴(181) 사이에 배치되는 하면을 갖도록 형성될 수 있다. 제2 절연 패턴(182)으로 제2 개구부(도 5d의 OP2)의 상부의 일부 또는 전부를 막은 후, 제2 절연 패턴(182) 상에 제1 개구부(도 5d의 OP1)를 채우도록 제3 절연 패턴(183)을 형성함으로써, 에어 갭(AG) 내부로 절연 물질이 리필되는 것을 방지할 수 있다. 에어 갭(AG)의 종횡비(Aspect ratio)가 증가하는 경우에도, 안정적인 구조를 갖는 에어 갭(AG)을 구현할 수 있다.The third
본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.The present invention is not limited by the above-described embodiments and the accompanying drawings, but is intended to be limited by the appended claims. Accordingly, various types of substitution, modification and change will be possible by those skilled in the art within the scope not departing from the technical spirit of the present invention described in the claims, and it is also said that it falls within the scope of the present invention. something to do.
100: 반도체 소자
101: 기판
ACT: 활성 영역
105A, 105B: 제1 및 제2 소스/드레인 영역
110: 소자 분리 영역
120: 버퍼 절연층
BLS: 비트라인 구조물
BL: 비트라인
BC: 비트라인 캡핑 패턴
WL: 워드라인
150: 하부 도전 패턴
155: 금속-반도체 화합물층
160: 상부 도전 패턴
162: 배리어층
164: 도전층
SS: 스페이서 구조물
SS': 예비 스페이서 구조물
171: 이너 스페이서
172: 희생 스페이서
173: 아우터 스페이서
AG: 에어 갭
181, 182, 183: 제1 내지 제3 절연 패턴
OP1, OP2: 제1 및 제2 개구부 IH: 증착 방지 패턴
CP: 게이트 콘택 플러그100: semiconductor element 101: substrate
ACT: active regions 105A, 105B: first and second source/drain regions
110: device isolation region 120: buffer insulating layer
BLS: bitline structure BL: bitline
BC: bit line capping pattern WL: word line
150: lower conductive pattern 155: metal-semiconductor compound layer
160: upper conductive pattern 162: barrier layer
164: conductive layer SS: spacer structure
SS': preliminary spacer structure 171: inner spacer
172: sacrificial spacer 173: outer spacer
AG:
OP1, OP2: first and second openings IH: anti-deposition pattern
CP: gate contact plug
Claims (10)
상기 기판 상에서 일 방향으로 연장되며, 상기 제1 불순물 영역과 전기적으로 연결되는 비트라인 구조물;
상기 비트라인 구조물의 적어도 일 측에 배치되어, 상기 제2 불순물 영역과 전기적으로 연결되는 하부 도전 패턴;
상기 하부 도전 패턴 상에 배치되어, 상기 하부 도전 패턴과 전기적으로 연결되는 상부 도전 패턴;
상기 비트라인 구조물과 상기 하부 도전 패턴 사이에 배치되는 에어 갭; 및
상기 에어 갭 상에서, 상기 상부 도전 패턴과 상기 비트라인 구조물 사이에 배치되는 매립 절연 패턴을 포함하고,
상기 매립 절연 패턴은,
상기 상부 도전 패턴 및 상기 비트라인 구조물의 측벽 상에 배치되며, 상기 상부 도전 패턴의 하부의 적어도 일부를 노출시키는 제1 절연 패턴; 및
상기 제1 절연 패턴에 의해 노출되는 상기 상부 도전 패턴과 접촉하며, 상기 에어 갭의 상부에 배치되는 제2 절연 패턴을 포함하는,
반도체 소자.
a substrate including a first impurity region and a second impurity region;
a bit line structure extending in one direction on the substrate and electrically connected to the first impurity region;
a lower conductive pattern disposed on at least one side of the bit line structure and electrically connected to the second impurity region;
an upper conductive pattern disposed on the lower conductive pattern and electrically connected to the lower conductive pattern;
an air gap disposed between the bit line structure and the lower conductive pattern; and
a buried insulating pattern disposed between the upper conductive pattern and the bit line structure on the air gap;
The buried insulating pattern is
a first insulating pattern disposed on sidewalls of the upper conductive pattern and the bit line structure and exposing at least a portion of a lower portion of the upper conductive pattern; and
and a second insulating pattern in contact with the upper conductive pattern exposed by the first insulating pattern and disposed above the air gap;
semiconductor device.
상기 상부 도전 패턴은, 다결정 실리콘(Si), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 몰리브데넘(Mo), 백금(Pt), 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 티타늄 질화물(TiN), 탄탈륨 질화물(TaN) 및 텅스텐 질화물(WN) 중 하나 이상을 포함하고,
상기 제2 절연 패턴은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 실리콘 탄질화물 및 실리콘 산탄질화물 중 하나 이상을 포함하는, 반도체 소자.
According to claim 1,
The upper conductive pattern may include polycrystalline silicon (Si), titanium (Ti), tantalum (Ta), tungsten (W), ruthenium (Ru), copper (Cu), molybdenum (Mo), platinum (Pt), nickel containing at least one of (Ni), cobalt (Co), aluminum (Al), titanium nitride (TiN), tantalum nitride (TaN), and tungsten nitride (WN);
The second insulating pattern includes at least one of silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, silicon carbonitride, and silicon oxycarbonitride.
상기 매립 절연 패턴은, 상기 제2 절연 패턴 상에서 상기 제1 절연 패턴과 접촉하도록 배치되는 제3 절연 패턴을 더 포함하는, 반도체 소자.
According to claim 1,
The buried insulating pattern may further include a third insulating pattern disposed on the second insulating pattern to be in contact with the first insulating pattern.
상기 에어 갭의 상면은, 상기 제2 절연 패턴 및 상기 제3 절연 패턴에 의해 정의되는, 반도체 소자.
4. The method of claim 3,
An upper surface of the air gap is defined by the second insulating pattern and the third insulating pattern.
상기 제2 절연 패턴은, 상기 비트라인 구조물의 측벽 상에 배치되는 상기 제1 절연 패턴과 분리되는, 반도체 소자.
According to claim 1,
The second insulating pattern is separated from the first insulating pattern disposed on a sidewall of the bit line structure.
상기 제2 절연 패턴과 상기 비트라인 구조물의 측벽 상에 배치되는 상기 제1 절연 패턴 사이의 간격은, 0nm 초과 2nm 이하인, 반도체 소자.
6. The method of claim 5,
A distance between the second insulating pattern and the first insulating pattern disposed on a sidewall of the bit line structure is greater than 0 nm and less than or equal to 2 nm.
상기 제2 절연 패턴은, 상기 비트라인 구조물의 측벽 상에 배치되는 상기 제1 절연 패턴과 접촉하는, 반도체 소자.
According to claim 1,
The second insulating pattern may be in contact with the first insulating pattern disposed on a sidewall of the bit line structure.
상기 비트라인 구조물의 측벽 상에 배치되는 이너 스페이서; 및
상기 하부 도전 패턴의 측벽 상에 배치되는 아우터 스페이서를 더 포함하고,
상기 에어 갭은 상기 이너 스페이서 및 상기 아우터 스페이서 사이에 배치되는, 반도체 소자.
According to claim 1,
an inner spacer disposed on a sidewall of the bit line structure; and
Further comprising an outer spacer disposed on the sidewall of the lower conductive pattern,
The air gap is disposed between the inner spacer and the outer spacer.
상기 에어 갭은 상기 이너 스페이서, 상기 아우터 스페이서 및 상기 제2 절연 패턴에 의해 정의되고,
상기 에어 갭을 정의하는 상기 이너 스페이서 및 상기 아우터 스페이서의 표면 상에 배치된 증착 방지 패턴을 더 포함하는, 반도체 소자.
9. The method of claim 8,
the air gap is defined by the inner spacer, the outer spacer, and the second insulating pattern;
The semiconductor device further comprising: a deposition prevention pattern disposed on surfaces of the inner spacer and the outer spacer defining the air gap.
상기 기판 상에서 일 방향으로 연장되며, 상기 제1 불순물 영역과 전기적으로 연결되는 비트라인 구조물들을 형성하고;
각각의 상기 비트라인 구조물들의 양 측벽 상에 이너 스페이서를 형성하고;
상기 이너 스페이서 상에 희생 스페이서를 형성하고;
상기 희생 스페이서 상에 아우터 스페이서를 형성하고;
인접하는 상기 아우터 스페이서들 사이에서, 상기 제2 불순물 영역과 전기적으로 연결되는 하부 도전 패턴을 형성하고;
상기 이너 스페이서, 상기 희생 스페이서, 상기 아우터 스페이서 및 상기 하부 도전 패턴을 덮는 상부 도전 패턴을 형성하고;
상기 상부 도전 패턴과 상기 비트라인 구조물에, 상기 희생 스페이서가 노출되도록 제1 개구부를 형성하고;
상기 제1 개구부의 내면 상에 제1 예비 절연 패턴을 컨포멀하게 형성하고;
상기 상부 도전 패턴의 하부의 적어도 일부, 상기 이너 스페이서, 상기 희생 스페이서 및 상기 아우터 스페이서가 노출되도록, 상기 제1 예비 절연 패턴을 부분적으로 제거하여, 제1 절연 패턴을 형성하고;
노출된 상기 희생 스페이서를 제거하여 제2 개구부를 형성하고;
상기 제1 개구부 및 상기 제2 개구부 내에서, 상기 이너 스페이서, 상기 아우터 스페이서 및 상기 제1 절연 패턴의 표면 상에, 증착 방지 물질을 형성하고;
상기 제1 개구부 내에 노출된 상기 상부 도전 패턴 상에 제2 절연 패턴을 형성하고;
상기 증착 방지 물질을 제거하고;
상기 제1 절연 패턴 및 상기 제2 절연 패턴과 접촉하는 제3 절연 패턴을 형성하는,
반도체 소자의 제조 방법.
forming a first impurity region and a second impurity region in the substrate;
forming bit line structures extending in one direction on the substrate and electrically connected to the first impurity region;
forming inner spacers on both sidewalls of each of the bit line structures;
forming a sacrificial spacer on the inner spacer;
forming an outer spacer on the sacrificial spacer;
forming a lower conductive pattern electrically connected to the second impurity region between the adjacent outer spacers;
forming an upper conductive pattern covering the inner spacer, the sacrificial spacer, the outer spacer, and the lower conductive pattern;
forming a first opening in the upper conductive pattern and the bit line structure to expose the sacrificial spacer;
conformally forming a first preliminary insulating pattern on the inner surface of the first opening;
forming a first insulating pattern by partially removing the first preliminary insulating pattern so that at least a portion of a lower portion of the upper conductive pattern, the inner spacer, the sacrificial spacer, and the outer spacer are exposed;
removing the exposed sacrificial spacer to form a second opening;
forming a deposition preventing material on surfaces of the inner spacer, the outer spacer, and the first insulating pattern in the first opening and the second opening;
forming a second insulating pattern on the upper conductive pattern exposed in the first opening;
removing the anti-deposition material;
forming a third insulating pattern in contact with the first insulating pattern and the second insulating pattern;
A method of manufacturing a semiconductor device.
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---|---|---|---|
KR1020220001706A KR20220009470A (en) | 2022-01-05 | 2022-01-05 | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
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