KR20240048304A - 반도체 소자 - Google Patents

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용재천
고대홍
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삼성전자주식회사
연세대학교 산학협력단
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Abstract

예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자는, 기판, 상기 기판 상에서 제1 수평 방향으로 서로 이격되어 배치되는 복수의 반도체 패턴들, 상기 복수의 반도체 패턴들의 각각은 상기 제1 수평 방향에서 서로 대향하는 제1 측면들 및 상기 제1 수평 방향과 수직인 제2 수평 방향에서 서로 대향하는 제2 측면들을 갖고, 상기 복수의 반도체 패턴들 각각의 상기 제2 측면들 상에 배치되는 소스/드레인 영역들, 상기 복수의 반도체 패턴들 각각의 상면, 하면, 및 상기 제1 측면들을 둘러싸는 복수의 게이트 패턴들, 상기 복수의 게이트 패턴들을 연결하는 복수의 도전성 라인 패턴들, 및 상기 복수의 반도체 패턴들과 상기 제2 수평 방향으로 나란하게 배치되는 정보 저장 구조물들을 포함한다.

Description

반도체 소자{SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 반도체 소자에 관한 것이다.
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. 종래의 2차원 또는 평면적 반도체 소자의 경우, 그 집적도는 단위 메모리 셀이 점유하는 면적에 의해 주로 결정되기 때문에, 미세 패턴 형성 기술의 수준에 크게 영향을 받는다. 하지만, 패턴의 미세화를 위해서는 초고가의 장비들이 필요하기 때문에, 2차원 반도체 소자의 집적도는 증가하고는 있지만 여전히 제한적이다. 이에 따라, 3차원적으로 배열되는 메모리 셀들을 구비하는 3차원 반도체 메모리 소자들이 제안되고 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 기술적 과제 중 하나는, 전기적 특성 및 집적도가 향상된 반도체 소자를 제공하는 것이다.
예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자는, 기판, 상기 기판 상에서 제1 수평 방향으로 서로 이격되어 배치되는 복수의 반도체 패턴들, 상기 복수의 반도체 패턴들의 각각은 상기 제1 수평 방향에서 서로 대향하는 제1 측면들 및 상기 제1 수평 방향과 수직인 제2 수평 방향에서 서로 대향하는 제2 측면들을 갖고, 상기 복수의 반도체 패턴들 각각의 상기 제2 측면들 상에 배치되는 소스/드레인 영역들, 상기 복수의 반도체 패턴들 각각의 상면, 하면, 및 상기 제1 측면들을 둘러싸는 복수의 게이트 패턴들, 상기 복수의 게이트 패턴들을 연결하는 복수의 도전성 라인 패턴들, 및 상기 복수의 반도체 패턴들과 상기 제2 수평 방향으로 나란하게 배치되는 정보 저장 구조물들을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자는, 기판, 상기 기판 상에 교대로 적층된 복수의 수평 구조물들 및 복수의 층간 절연층들, 및 상기 기판 상에서, 상기 기판의 상면에 수직한 수직 방향으로 연장되는 수직 도전 패턴을 포함하고, 상기 복수의 수평 구조물들 각각은 상기 수직 도전 패턴의 제1 측에 배치되는 제1 구조물 및 상기 제1 구조물과 이격되어 상기 수직 도전 패턴의 상기 제1 측과 대향하는 제2 측에 배치되는 제2 구조물을 포함하고 상기 수직 도전 패턴은 상기 제1 구조물 및 상기 제2 구조물 사이에서, 상기 복수의 수평 구조물들 각각의 상기 제1 구조물 및 상기 제2 구조물과 전기적으로 연결되고, 상기 제1 구조물 및 상기 제2 구조물 각각은, 반도체 패턴, 상기 반도체 패턴은 제1 수평 방향에서 서로 대향하는 제1 측면들 및 상기 제1 수평 방향과 수직인 제2 수평 방향에서 서로 대향하는 제2 측면들을 갖고, 상기 반도체 패턴의 상기 제2 측면들 중 일측 상에 배치되는 제1 소스/드레인 영역 및 상기 반도체 패턴의 상기 제2 측면들 중 상기 일측과 대향하는 반대측 상에 배치되고 상기 반도체 패턴과 상기 수직 도전 패턴 사이에 배치되는 제2 소스/드레인 영역을 갖는 소스/드레인 영역들, 상기 반도체 패턴의 상면, 하면, 및 상기 제1 측면들을 둘러싸는 게이트 패턴, 상기 소스/드레인 영역들의 상기 제1 소스/드레인 영역의 측면 상에 배치되는 정보 저장 구조물을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자는, 기판, 상기 기판의 상면과 수직한 수직 방향으로 서로 이격되어 적층되는 복수의 수평 구조물들, 및 상기 복수의 수평 구조물들과 교대로 적층되는 복수의 층간 절연층들, 상기 복수의 수평 구조물들 및 상기 복수의 층간 절연층들을 관통하여 상기 수직 방향으로 연장되고, 제1 수평 방향으로 서로 이격되어 배치되는 복수의 수직 도전 패턴들을 포함하고, 상기 복수의 수평 구조물들 각각은, 상기 복수의 수직 도전 패턴들의 제1 측 상에서 상기 제1 수평 방향을 따라 서로 이격되어 배치되는 제1 구조물들, 상기 제1 구조물들을 연결하는 제1 도전성 라인 패턴들, 상기 복수의 수직 도전 패턴들의 상기 제1 측과 대향하는 제2 측 상에서 상기 제1 수평 방향을 따라 서로 이격되어 배치되는 제2 구조물들, 및 상기 제2 구조물들을 연결하는 제2 도전성 라인 패턴들을 포함하고, 상기 제1 구조물들 및 상기 제2 구조물들 각각은, 상기 제1 수평 방향에서 서로 대향하는 제1 측면들 및 상기 제1 수평 방향과 수직인 제2 수평 방향에서 서로 대향하는 제2 측면들을 갖는 반도체 패턴, 상기 반도체 패턴의 상기 제2 측면들 상에 배치되는 소스/드레인 영역들, 상기 반도체 패턴의 상면, 하면, 및 상기 제1 측면들을 둘러싸는 게이트 패턴, 및 상기 소스/드레인 영역들의 일측에서 상기 반도체 패턴과 상기 제2 수평 방향으로 나란하게 배치되는 정보 저장 구조물을 포함할 수 있다.
수평 및 수직으로 서로 이격되어 배치되는 복수의 반도체 패턴들 및 복수의 반도체 패턴들 각각의 사면을 둘러싸는 게이트 패턴들을 제공함에 따라, 전기적 특성 및 집적도가 향상된 반도체 소자가 제공될 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 개략적인 평면도이다.
도 1b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 개략적인 사시도이다.
도 2a는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 개략적인 평면도이다.
도 2b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 개략적인 단면도이다.
도 3 내지 도 6b은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 개략적인 평면도이다.
도 7a 및 도 7b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 개략적인 평면도이다.
도 8 내지 도 19는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 사시도들, 평면도들, 및 단면도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 다음과 같이 설명한다.
도 1a는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 개략적인 평면도이다.
도 1b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 개략적인 사시도이다. 도 1b는 도 1a의 'A' 영역을 확대하여 도시한다.
도 2a는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 개략적인 평면도이다. 도 2a는 도 1b의 'B' 영역을 확대하여 도시한다.
도 2b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 개략적인 단면도이다. 도 2b는 도 2a의 반도체 소자를 절단선 Ⅰ-Ⅰ'을 따른 단면을 도시한다.
도 1a 내지 도 2b를 참조하면, 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자(100)는 기판(101), 기판(101) 상에서 교대로 적층되는 복수의 수평 구조물들(120) 및 복수의 층간 절연층들(121), 및 기판(101) 상에서 복수의 수평 구조물들(120) 및 복수의 층간 절연층들(121)을 관통하여 Z 방향으로 연장되는 복수의 수직 도전 패턴들(130)을 포함할 수 있다. Z 방향은 기판(101)의 상면과 수직인 방향을 의미할 수 있다. 복수의 수평 구조물들(120)은 반도체 패턴(140), 소스/드레인 영역들(150), 게이트 패턴(165), 및 정보 저장 구조물(180)을 각각 포함하는 복수의 구조물들(LS) 및 복수의 구조물들(LS)을 연결하는 복수의 도전성 라인 패턴들(170)을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자(100)는, 복수의 수직 도전 패턴들(130)로 이루어진 복수의 비트 라인, 복수의 도전성 라인 패턴들(170)로 이루어진 복수의 워드 라인, 및 복수의 구조물들(LS)로 이루어진 메모리 셀 트랜지스터 및 정보 저장 요소를 갖는 복수의 셀 어레이를 포함할 수 있다. 반도체 소자의 상기 셀 어레이는 DRAM(Dynamic Random Aceess Memory) 소자의 메모리 셀 어레이에 해당할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상기 메모리 셀 트랜지스터는 반도체 패턴(140), 반도체 패턴(140)의 양 측에 배치되는 소스/드레인 영역들(150), 반도체 패턴(140)의 적어도 일부를 둘러싸는 게이트 패턴(165)으로 이루어지고, 상기 정보 저장 요소는 정보 저장 구조물(180)로 이루어질 수 있다. 상기 정보 저장 요소는 후술하는 것과 같이 하부 전극, 상부 전극, 및 유전체 층으로 이루어진 캐패시터를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1a 및 도 1b를 참조할 때 기판(101)은 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2)을 포함할 수 있다. 제1 영역(R1)은 상기 메모리 셀 트랜지스터 및 상기 정보 저장 요소들이 배치되는 셀 영역일 수 있고, 제2 영역(R2)은 상기 복수의 워드 라인 각각에 전원을 인가하기 위한 콘택들을 형성하기 위한 영역일 수 있다. 제2 영역(R2)은 제1 영역(R1)의 적어도 일 단에 배치될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제2 영역(R2)은 제1 영역(R1)의 X 방향에서의 양 단에 배치될 수 있으나, 실시예들에 따라 제1 영역(R1)의 모든 면을 둘러싸도록 X 방향에서의 양 단 및 X 방향과 수직한 Y 방향에서의 양 단에 배치될 수도 있다.
기판(101)은 반도체 물질, 예컨대 Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 또는 Ⅱ-Ⅵ족 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.
예시적인 실시예에서, 반도체 소자(100)는 기판(101) 상에 배치되는 하부 구조물(110)을 더 포함할 수 있다. 복수의 수평 구조물들(120)과 복수의 층간 절연층들(121)은 하부 구조물(110) 상에 적층될 수 있다. 하부 구조물(110)은 기판(101) 상의 소자 영역 및 상기 소자 영역을 덮는 절연 영역을 포함할 수 있다. 상기 소자 영역은 불순물을 포함하는 반도체 물질 또는 금속 물질 등 도전성 물질을 포함할 수 있다. 복수의 수직 도전 패턴들(130)은 상기 소자 영역과 접촉할 수 있다. 상기 절연 영역은 절연 물질, 예를 들어, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 및 실리콘 산탄화물 중 적어도 하나를 포함하는 절연층들로 형성될 수 있다. 다만, 실시예들에 따라, 하부 구조물(110)은 생략될 수도 있다.
복수의 수평 구조물들(120)과 복수의 층간 절연층들(121)은 기판(101) 상에서 적층 구조물을 이룰 수 있다. 복수의 수평 구조물들(120)은 복수의 층간 절연층들(121) 사이에 배치될 수 있으며, 복수의 층간 절연층들(121)에 의해 Z 방향으로 서로 이격될 수 있다. 복수의 층간 절연층들(121)은 예를 들어, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 및 실리콘 산탄화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조할 때, 복수의 층간 절연층들(121) 각각은 게이트 패턴(165)과 Z 방향으로 중첩되는 제1 부분(121P1) 및 나머지 제2 부분(121P2)을 포함할 수 있다. 제1 부분(121P1)의 두께는 제2 부분(121P2)의 두께보다 작을 수 있다. 제1 부분(121P1)의 상기 두께와 제2 부분(121P2)의 상기 두께 차이는 게이트 패턴(165)에 기인한 것일 수 있다.
복수의 수평 구조물들(120) 각각은 서로 이격되어 배치되는 복수의 구조물들(LS), 복수의 구조물들(LS)을 연결하는 복수의 도전성 라인 패턴들(170), 및 복수의 구조물들(LS)과 복수의 도전성 라인 패턴들(170)의 측면들을 덮는 절연 패턴(미도시)을 포함할 수 있다.
복수의 구조물들(LS)은 복수의 수직 도전 패턴들(130)의 제1 측(130S1) 상에서 X 방향을 따라 서로 이격되어 배치되는 제1 구조물들(LSa) 및 복수의 수직 도전 패턴들(130)의 제2 측(130S2) 상에서 X 방향을 따라 서로 이격되어 배치되는 제2 구조물들(LSb)을 포함할 수 있다. 제2 측(130S2)은 제1 측(130S1)에 대향하는 면일 수 있다. 복수의 도전성 라인 패턴들(170)은 제1 구조물들(LSa)을 연결하는 제1 도전성 라인 패턴들(170a) 및 제2 구조물들(LSb)을 연결하는 제2 도전성 라인 패턴들(170b)을 포함할 수 있다.
제1 구조물들(LSa) 및 제2 구조물들(LSb) 각각은 반도체 패턴(140), 소스/드레인 영역들(150), 게이트 패턴(165), 및 정보 저장 구조물(180)을 포함할 수 있다. 제1 구조물들(LSa) 및 제2 구조물들(LSb) 각각은 게이트 패턴(165)과 반도체 패턴(140) 사이의 유전 패턴(162)을 더 포함할 수 있다.
반도체 패턴(140)은 반도체 물질, 예를 들어, 실리콘, 저마늄, 또는 실리콘-저마늄을 포함할 수 있다. 반도체 패턴(140)은 상기 메모리 셀 트랜지스터의 채널 영역을 이룰 수 있다. 반도체 패턴(140)은 X 방향에서 서로 대향하는 제1 측면들(140S1) 및 Y 방향에서 서로 대향하는 제2 측면들(140S2)을 가질 수 있다.
소스/드레인 영역들(150)은 반도체 패턴(140)의 제2 측면들(140S2) 상에 배치될 수 있다. 소스/드레인 영역들(150)은 반도체 패턴(140)과 동일한 반도체 물질을 포함하고, 반도체 패턴(140)과 실질적으로 동일한 두께 및/또는 실질적으로 동일한 폭을 가질 수 있다. 소스/드레인 영역들(150)은 상기 반도체 물질에 대하여 불순물이 도핑되어 형성된 영역일 수 있다. 소스/드레인 영역들(150)은 n형 또는 p형의 도전형을 가질 수 있다.
예시적인 실시예에서, 소스/드레인 영역들(150)은 반도체 패턴(140)의 제2 측면들(140S2) 중 일측에 배치되는 제1 소스/드레인 영역(151) 및 반도체 패턴(140)의 제2 측면들(140S2) 중 상기 일측과 대향하는 반대측에 배치되는 제2 소스/드레인 영역(152)을 포함할 수 있다. 제1 소스/드레인 영역(151) 및 제2 소스/드레인 영역(152) 중 하나는 소스 영역에 대응되고, 다른 하나는 드레인 영역에 대응될 수 있다.
제1 소스/드레인 영역(151)은 반도체 패턴(140)과 정보 저장 구조물(180) 사이에 배치되고, 제2 소스/드레인 영역(152)은 반도체 패턴(140)과 수직 도전 패턴(140) 사이에 배치될 수 있다. 제1 소스/드레인 영역(151)은 반도체 패턴(140)과 정보 저장 구조물(180)을 연결하고, 제2 소스/드레인 영역(152)은 반도체 패턴(140)과 수직 도전 패턴(130)을 연결할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제1 소스/드레인 영역(151)은 제2 소스/드레인 영역(152)과 다른 형상 및/또는 길이를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 소스/드레인 영역(151)의 Y 방향에서의 제1 길이(L1)는 제2 소스/드레인 영역(152)의 Y 방향에서의 제2 길이(L2)와 다를 수 있다. 이는, 제1 소스/드레인 영역(151)의 제1 길이(L1)와 제2 소스/드레인 영역(152)의 제2 길이(L2)는 별도의 공정에 의해 결정되기 때문일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제1 길이(L1)는 제2 길이(L2)보다 클 수 있다.
게이트 패턴(165)은 기판(101)의 제1 영역(R1) 상에서 반도체 패턴(140)의 상면, 하면, 및 제1 측면들(140S1)을 둘러쌀 수 있다. 즉, 게이트 패턴(165)은 반도체 패턴(140)의 Y 방향을 따른 중심 축을 따라 반도체 패턴(140)을 둘러쌀 수 있다. 반도체 패턴(140)의 사면을 둘러싸는 게이트 패턴(165) 구조에 의해 전기적 특성이 향상된 반도체 소자가 제공될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 게이트 패턴(165)은 실질적으로 균일한 두께를 갖고 반도체 패턴(140)을 둘러쌀 수 있다.
게이트 패턴(165)은 도전 물질을 포함할 수 있으며, 상기 도전 물질은 도핑된 반도체 물질(예: 도핑된 실리콘, 도핑된 저마늄 등), 도전성 금속 질화물(예: 티타늄 질화물, 탄탈륨 질화물, 텅스텐 질화물 등), 금속(예: 텅스텐, 티타늄, 탄탈륨, 코발트, 알루미늄. 루테늄 등), 및 금속-반도체 화합물(예: 텅스텐 실리사이드, 코발트 실리사이드, 티타늄 실리사이드 등) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
유전 패턴(162)은 게이트 패턴(165)과 반도체 패턴(140) 사이에서 컨포멀한 두께를 갖도록 배치될 수 있다. 게이트 유전 층(142)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 또는 고유전율(high-k) 물질을 포함할 수 있다. 상기 고유전율 물질은, 실리콘 산화물(SiO2)보다 높은 유전 상수(dielectric constant)를 가지는 유전 물질을 의미할 수 있다. 상기 고유전율 물질은, 예를 들어, 알루미늄 산화물(Al2O3), 탄탈륨 산화물(Ta2O3), 티타늄 산화물(TiO2), 이트륨 산화물(Y2O3), 지르코늄 산화물(ZrO2), 지르코늄 실리콘 산화물(ZrSixOy), 하프늄 산화물(HfO2), 하프늄 실리콘 산화물(HfSixOy), 란탄 산화물(La2O3), 란탄 알루미늄 산화물(LaAlxOy), 란탄 하프늄 산화물(LaHfxOy), 하프늄 알루미늄 산화물(HfAlxOy), 및 프라세오디뮴 산화물(Pr2O3) 중 어느 하나일 수 있다.
정보 저장 구조물(180)은 제1 소스/드레인 영역(151)의 측면 상에서 반도체 패턴(140)과 Y 방향으로 나란하게 배치될 수 있다. 정보 저장 구조물(180)은 반도체 패턴(140) 및 제1 소스/드레인 영역(151)과 전기적으로 연결될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 정보 저장 구조물(180)은 제1 전극(181), 제1 전극(181) 상의 유전체층(185), 및 유전체층(185) 상의 제2 전극(182)을 포함할 수 있다. 정보 저장 구조물은 도 2b에 도시된 것처럼 실린더(cylinder) 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않고 실시예들에 따라 필라(pillar) 형태를 가질 수도 있다. 제1 및 제2 전극들(181, 182)은 도핑된 반도체 물질, 도전성 금속 질화물, 금속, 및 금속-반도체 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 유전체층(185)은 예를 들어, 지르코늄 산화물(ZrO2), 알루미늄 산화물(Al2O3), 하프늄 산화물(Hf2O3)과 같은 고유전율 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
하나의 수평 구조물(120) 내에서, 제1 구조물들(LSa)이 X 방향을 따라 서로 이격되어 배치됨에 따라, 제1 구조물들(LSa) 내의 복수의 반도체 패턴들(140)은 X 방향을 따라 이격되어 배치될 수 있고, 제1 구조물들(LSa) 내의 복수의 게이트 패턴들(165)은 복수의 반도체 패턴들(140)을 각각 둘러쌀 수 있다. 이는, 제2 구조물들(LSb)에 대하여도 동일하거나 유사하게 설명될 수 있다.
복수의 도전성 라인 패턴들(170)은 복수의 구조물들(LS)의 게이트 패턴들(165)을 연결할 수 있다. 복수의 도전성 라인 패턴들(170)은 하나의 수평 구조물(120) 내에서 X 방향으로 이격되어 배치되는 복수의 구조물들(LS)의 게이트 패턴들(165)을 서로 전기적으로 연결시킬 수 있다.
복수의 도전성 라인 패턴들(170) 각각은 인접한 복수의 게이트 패턴들(165) 사이에서 X 방향으로 연장될 수 있다. 복수의 도전성 라인 패턴들(170) 각각의 상면은 인접한 복수의 게이트 패턴들(165) 각각의 상면과 공면을 이룰 수 있다. 복수의 도전성 라인 패턴들(170) 각각의 하면은 인접한 복수의 게이트 패턴들(165) 각각의 하면과 공면을 이룰 수 있다. 복수의 도전성 라인 패턴들(170) 각각의 Z 방향에서의 길이는 복수의 게이트 패턴들(165) 각각의 Z 방향에서의 길이와 실질적으로 동일할 수 있다. 복수의 도전성 라인 패턴들(170) 각각의 두께는 복수의 게이트 패턴들(165) 각각의 두께와 실질적으로 동일할 수 있다. 복수의 도전성 라인 패턴들(170)의 두께는 Y 방향을 따라 정의될 수 있다.
평면에서, 제1 도전성 라인 패턴들(170a)의 일측면은 제1 게이트 패턴들(165a)의 일측면과 공면을 이루고, 제2 도전성 라인 패턴들(170b)의 일측면은 제2 게이트 패턴들(165b)의 일측면과 공면을 이룰 수 있다.
복수의 도전성 라인 패턴들(170) 각각은 복수의 게이트 패턴들(165) 각각과 일체로 연결될 수 있다. 이는, 복수의 도전성 라인 패턴들(170) 및 복수의 게이트 패턴들(165)이 동일한 증착 공정을 통해 형성되기 때문일 수 있다.
복수의 도전성 라인 패턴들(170)은 도전 물질을 포함할 수 있으며, 상기 도전 물질은 도핑된 반도체 물질(예: 도핑된 실리콘, 도핑된 저마늄 등), 도전성 금속 질화물(예: 티타늄 질화물, 탄탈륨 질화물, 텅스텐 질화물 등), 금속(예: 텅스텐, 티타늄, 탄탈륨, 코발트, 알루미늄. 루테늄 등), 및 금속-반도체 화합물(예: 텅스텐 실리사이드, 코발트 실리사이드, 티타늄 실리사이드 등) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 복수의 도전성 라인 패턴들(170)은 복수의 게이트 패턴들(165)의 물질과 동일한 물질을 포함할 수 있다.
하나의 수평 구조물(120) 내에서 X 방향으로 서로 이격되어 배치되는 복수의 반도체 패턴들(140)은 복수의 도전성 라인 패턴들(170)에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 수평 워드라인(lateral WL) 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 서로 다른 수평 구조물들(120) 내에 배치되는 반도체 패턴들(140)은 층간 절연층들(121)에 의해 서로 이격될 수 있다.
복수의 수직 도전 패턴들(130)은 기판(101) 상에서 Z 방향으로 수직하게 연장될 수 있다. 복수의 수직 도전 패턴들(130) 각각은 라인 형태, 바 형태, 또는 기둥 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 복수의 수직 도전 패턴들(130)이 사각 기둥으로 도시되었으나, 실시예들에 따라 이에 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있다. 도시되지 않았으나, 반도체 소자(100)는 복수의 수직 도전 패턴들(130) 상에 배치되어 복수의 수직 도전 패턴들(130)과 연결되는 상부 배선을 더 포함할 수 있다. 복수의 수직 도전 패턴들(130)은 도핑된 반도체 물질, 도전성 금속 질화물, 금속, 및 금속-반도체 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 반도체 소자(100)는, 기판(100)의 제2 영역(R2) 상에 배치되는 랜딩 패턴들(LP) 및 랜딩 콘택들(LC)을 더 포함할 수 있다.
랜딩 패턴들(LP)은 수평 구조물들(120) 내에서 반도체 패턴들(140)과 나란하게 X 방향으로 서로 이격되어 배치될 수 있다. 랜딩 패턴들(LP) 각각은 도전성 라인 패턴들(170)에 의해 게이트 패턴들(165)과 연결될 수 있다.
랜딩 콘택들(LC) 각각은 수평 구조물들(120) 각각의 랜딩 패턴(LP)과 접촉할 수 있다. 하나의 수평 구조물(120) 내에서 X 방향으로 이격되는 게이트 패턴들(165)은 랜딩 콘택(LC)에 인가되는 전원에 의해 랜딩 패턴(LP) 및 도전성 라인 패턴들(170)을 통해 전기적으로 연결되므로, 상기 수평 워드라인 구조가 형성될 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조할 때, 복수의 수직 도전 패턴들(130)의 X 방향에서의 중심 축을 기준으로, 제1 구조물들(LSa) 및 제1 도전성 라인 패턴들(170a)은 제2 구조물들(LSb) 및 제2 도전성 라인 패턴들(170b)과 대칭적인 형상을 이룰 수 있다. 이 경우, 복수의 수직 도전 패턴들(130) 각각은 제1 및 제2 측들(130S1, 130S2) 상의 제1 및 제2 구조물들(LSa, LSb)에 동시에 전원을 인가할 수 있으며, 복수의 수직 도전 패턴들(130) 각각은 복수의 수평 구조물들(120)에 배치된 복수의 구조물들(LS)에 동시에 전원을 인가할 수 있다.
다만, 실시예들에 따라, 상기 대칭적인 형상은 반도체 패턴(140)을 형성하기 위한 패터닝 공정의 공정 조건에 따라 다양하게 변경될 수도 있다.
다음으로, 도 3 내지 도 7b를 참조하여 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 다양한 변형예들을 설명하도록 한다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 개략적인 평면도이다. 도 3은 도 2a에 대응되는 영역을 도시한다.
도 3을 참조하면, 반도체 소자(100A)에서, 제1 소스/드레인 영역(151A)의 X 방향으로의 폭은 정보 저장 구조물(180)로부터 반도체 패턴(140)을 향하는 방향으로 증가하는 부분을 포함할 수 있다. 상기 부분은 반도체 패턴(140)과 인접한 영역에서 위치할 수 있다. 이는, X 방향으로 연장되는 예비 제1 소스/드레인 영역을 패터닝하는 식각 공정 상에서 상기 예비 제1 소스/드레인 영역의 일부가 잔존하여 형성된 구조일 수 있다. 제1 소스/드레인 영역(151A)의 상기 부분은 오목한 곡면을 갖는 것으로 예시적으로 도시되었으나, 상기 부분의 형상은 다양하게 변경될 수 있다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 개략적인 평면도이다. 도 4는 도 2a에 대응되는 영역을 도시한다.
도 4를 참조하면, 반도체 소자(100B)에서, 복수의 도전성 라인 패턴들(170B)은 실질적으로 균일한 두께를 가지지 않을 수 있다. 예를 들어, 평면에서, 복수의 도전성 라인 패턴들(170B)은 제1 소스/드레인 영역(151B)과 공면을 이루는 부분을 가질 수 있다. 이는, 제1 소스/드레인 영역(151B)을 형성하는 식각 공정에서 복수의 도전성 라인 패턴들(170B) 일부도 함께 제거되기 때문일 수 있다. 제1 소스/드레인 영역(151B) 부분의 곡률과 복수의 도전성 라인 패턴들(170B) 부분의 곡률이 동일한 것으로 도시되어 있으나, 실시예들에 따라, 제1 소스/드레인 영역(151B) 부분의 곡률과 복수의 도전성 라인 패턴들(170B) 부분의 곡률이 다르게 형성되는 등 상기 공면의 형상은 다양하게 변경될 수 있다. 이는, 복수의 도전성 라인 패턴들(170B)과 제1 소스/드레인 영역(151B)의 식각 속도가 다르기 때문일 수 있다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 개략적인 평면도이다. 도 5는 도 2a에 대응되는 영역을 도시한다.
도 5를 참조하면, 반도체 소자(100C)에서, 복수의 도전성 라인 패턴들(170C)은 X 방향에서 게이트 패턴들(165C)과 얼라인되지 않을 수 있다. 즉, 평면에서, 복수의 도전성 라인 패턴들(170C)의 X 방향을 따른 측면들은 게이트 패턴들(165C)의 측면들과 X 방향을 따른 측면들과 X 방향으로 중첩되지 않을 수 있다.
도 6a는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 개략적인 평면도이다. 도 6a는 도 2a에 대응되는 영역을 도시한다.
도 6a을 참조하면, 반도체 소자(100D)에서, 소스/드레인 영역(150D)은 도 2a와 다른 구조를 가질 수 있다. 소스/드레인 영역(150D)의 제1 소스/드레인 영역(151D)의 Y 방향으로의 제1 길이(L1')은 제2 소스/드레인 영역(152D)의 Y 방향으로의 제2 길이(L2')와 실질적으로 동일할 수 있다. 이는, 제1 소스/드레인 영역(151D) 및 제2 소스/드레인 영역(152D)의 길이를 결정하는 공정 조건을 조절함에 따라 형성될 수 있다. 예를 들어, 층간 절연층들(121)에 대응되는 희생층들(118)에 대한 식각 공정의 식각 정도를 조절하여 제1 소스/드레인 영역(151D) 길이를 상대적으로 감소시키거나, 반도체 물질층을 감싸는 금속 물질층에 대한 식각 공정의 식각 정도를 조절하여 제2 소스/드레인 영역(152D)의 길이를 상대적으로 증가시킴으로써 본 실시예에 따른 반도체 소자(100D)가 제공될 수 있다.
도 6b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 개략적인 평면도이다. 도 6b는 도 2a에 대응되는 영역을 도시한다.
도 6b를 참조하면, 반도체 소자(100E)에서, 소스/드레인 영역(150E)은 도 2a와 다른 구조를 가질 수 있다. 소스/드레인 영역(150E)의 제1 소스/드레인 영역(151E)은 정보 저장 구조물(180)과 접촉하고, 정보 저장 구조물(180)에 의해 리세스되는 리세스부(151ER)를 가질 수 있다. 상기 리세스부(151ER)은 정보 저장 구조물(180)에 의해 채워질 수 있다. 이는, 정보 저장 구조물(180)을 형성하기 위한 희생층 식각 공정에 의해 제1 소스/드레인 영역(151E)의 일부가 함께 제거됨에 따라 형성된 구조일 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 개략적인 평면도이다. 도 7a 및 도 7b는 도 2a의 'C' 영역에 대응되는 영역을 도시한다.
도 7a를 참조하면, 반도체 소자(100F)에서, 유전 패턴(162)은 게이트 패턴(165)과 반도체 패턴(140) 사이에서, 반도체 패턴(140)의 상면, 하면, 및 제1 측면들(140S1)을 둘러쌀 수 있다. X 방향에서의 유전 패턴(162)의 길이는 X 방향에서의 게이트 패턴(165)의 길이와 실질적으로 동일할 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 유전 패턴(162)의 길이가 더 길 수도 있다.
도 7b를 참조하면, 반도체 소자(100G)에서, 유전 패턴(162)은 게이트 패턴(165)과 반도체 패턴(140)의 사이에 배치되는 부분과 함께 이로부터 연장되어 복수의 도전성 라인 패턴들(170)의 측면 상으로 연장되는 부분을 더 포함할 수 있다.
도 8 내지 도 19는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 사시도들, 평면도들, 및 단면도들이다. 도 8, 도 9a, 도 10a, 도 11a, 도 12a, 도 13, 도 14a, 도 15a, 도 16a, 도 17a, 도 18a, 및 도 19는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 사시도들이고, 도 9b, 도 10b, 도 11b, 도 12b, 도 14b, 도 15b, 도 16b, 도 17b, 및 도 18b는 도 9a, 도 10a, 도 11a, 도 12a, 도 14a, 도 15a, 도 16a, 도 17a, 및 도 18a에 대응되는 평면도들이고, 도 9c, 도 10c, 도 11c, 도 12c, 도 14c, 도 15c, 도 16c, 도 17c, 및 도 18c는 도 9b, 도 10b, 도 11b, 도 12b, 도 14b, 도 15b, 도 16b, 도 17b, 및 도 18b의 절단선 Ⅱ-Ⅱ'을 따른 단면도들이고, 도 9d, 도 10d, 도 11d, 도 12d, 도 14d, 도 15d, 도 16d, 도 17d, 및 도 18d는 도 9b, 도 10b, 도 11b, 도 12b, 도 14b, 도 15b, 도 16b, 도 17b, 및 도 18b의 절단선 Ⅲ-Ⅲ'을 따른 단면도들이다.
도 8을 참조하면, 기판(101) 상에 하부 구조물(110)을 형성하고, 희생층들(118) 및 반도체층들(119)을 Z 방향을 따라 교대로 적층하고, 트림 공정을 수행하여 적층 구조물을 형성할 수 있다.
희생층들(118)은 반도체층들(119)과 다른 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 반도체층들(119)은 실리콘으로 형성되고, 희생층들(118)은 실리콘-저마늄, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 탄화물, 또는 실리콘 산질화물로 형성될 수 있다. 희생층들(118)은 반도체층들(119)보다 Z 방향으로 두꺼운 두께를 갖도록 형성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 희생층들(118)은 후속 공정을 통해 층간 절연층들(121, 도 2b 참조)로 교체되는 층일 수 있다. 반도체층들(119)은 후속 공정을 통해 일부분은 소스/드레인 영역(150, 도 2b 참조) 및 반도체 패턴(140, 도 2b 참조)으로 잔존하고, 나머지 부분은 정보 저장 구조물(180) 등으로 채워지는 복수의 수평 구조물들(120, 도 2b 참조)일 수 있다.
상기 트림 공정은 마스크 패턴을 이용한 노광 및 식각 공정을 반복적으로 수행함으로써 희생층들(118) 각각의 상면 일부가 노출되도록 희생층들(118) 및 반도체층들(118) 일부를 제거하는 것을 포함할 수 있다. 이에 따라, 계단 구조를 갖는 상기 적층 구조물이 형성될 수 있다. 상기 적층 구조물은 기판(101)의 제1 영역(R1) 상에서 희생층들(118) 및 반도체층들(119)이 제거되지 않고 교대로 적층되고, 기판(101)의 제2 영역(R2) 상에서 희생층들(118) 및 반도체층들(119)의 일부가 제거되어 상기 계단 구조를 가질 수 있다.
상기 적층 구조물은 4개의 희생층들(118) 및 4개의 반도체층들(119)이 교대로 적층된 것으로 예시적으로 설명되었으나, 희생층들(118) 및 반도체층들(119)의 개수는 이에 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있다.
기판(101) 상에서 상기 적층 구조물을 덮는 갭필 절연층(190)을 형성하고 평탄화 공정을 수행할 수 있다.
도 9a, 도 9b, 도 9c, 및 도 9d를 참조하면, 마스크 패턴을 이용하여 제1 개구부(OP1)를 형성할 수 있다.
마스크 패턴을 이용한 노광 및 식각 공정을 통해, 상기 적층 구조물을 관통하여 하부 구조물(110)을 노출시키는 제1 개구부(OP1)를 형성할 수 있다. 제1 개구부(OP1)는 제1 및 제2 영역들(R1, R2) 상에서 제1 폭(W1)을 갖는 부분과 제1 폭(W1)과 다른 제2 폭(W2)을 갖는 부분을 교대로 갖도록 일방향(예를 들어, X 방향) 연장되는 트랜치 형상일 수 있다. 제1 폭(W1)은 제2 폭(W2)보다 클 수 있다.
제1 폭(W1) 및 제2 폭(W2)의 차이에 의해 후속 공정을 통해 형성되는 반도체 패턴(140, 도 2a 참조) 및 제2 소스/드레인 영역(152, 도 2a 참조)의 Y 방향으로의 길이가 결정될 수 있다.
도 10a, 도 10b, 도 10c, 및 도 10d를 참조하면, 희생층들(118)을 선택적으로 제거하는 식각 공정을 수행하여 반도체층들(119) 각각의 돌출부들(119p)을 형성할 수 있다.
제1 개구부(OP1)를 통해 노출된 희생층들(119)을 반도체층들(119)에 대하여 선택적으로 제거함으로써 적어도 사면이 노출되는 돌출부들(119p)이 형성될 수 있다. 각 반도체층들(119)에서, 돌출부들(119p)은 X 방향으로 서로 이격되어 배치되는 제1 돌출부들(119p1) 및 제1 돌출부(119p1)과 이격되고 X 방향으로 서로 이격되어 배치되는 제2 돌출부들(119p2)을 포함할 수 있다.
상기 식각 공정은 예를 들어 실리콘에 대하여 실리콘-저마늄 만을 제거하는 습식 식각 공정일 수 있다. 상기 식각 공정에 의해 돌출부들(119p)과 함께 반도체층들(119)의 상면 일부가 노출될 수 있다. 상기 식각 공정에서 제거되는 희생층들(118)의 깊이에 의해, 후속 공정을 통해 형성되는 제1 소스/드레인 영역(151, 도 2a 참조)의 Y 방향으로의 길이가 결정될 수 있다.
도 11a, 도 11b, 도 11c, 및 도 11d를 참조하면, 갭필 절연층(190)의 일부를 제거할 수 있다.
제1 개구부(OP1)와 동일하거나 유사한 형상의 마스크 패턴을 이용하여 갭필 절연층(190) 일부를 제거할 수 있다. 이에 따라, 돌출부들(119p) 및/또는 최상부 희생층(118)의 일부가 노출될 수 있다. 본 단계에서, 갭필 절연층(190) 일부를 제거함에 따라, 후속 공정을 통해 형성되는 금속 물질층의 형성 및 제거가 더 용이할 수 있다. 다만, 실시예들에 따라, 본 단계는 생략될 수도 있다.
도 12a, 도 12b, 도 12c, 및 도 12d를 참조하면, 유전 물질층(DL) 및 금속 물질층(ML)을 형성할 수 있다.
증착 공정 및 식각 공정을 수행하여, 제1 개구부(OP1)를 통해 노출된 희생층들(119) 및 반도체층들(118)을 컨포멀하게 덮는 유전 물질층(DL) 및 금속 물질층(ML)을 형성할 수 있다. 상기 증착 공정을 통해 유전 물질층(DL) 및 금속 물질층(ML)은 실질적으로 균일한 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 유전 물질층(DL) 및 금속 물질층(ML)은 돌출부들(119p)의 노출된 면들을 덮을 수 있다. 예시적인 실시예에서, 유전 물질층(DL)은 금속 물질층(ML)보다 얇은 두께를 갖도록 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 식각 공정은 갭필 절연층(190) 및 하부 구조물(110) 상에 배치되는 유전 물질층(DL) 부분 및 금속 물질층(ML) 부분을 제거하는 공정일 수 있다. 유전 물질층(DL)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 또는 고유전율(high-k) 물질을 포함할 수 있다. 상기 고유전율 물질은, 예를 들어, 알루미늄 산화물(Al2O3), 탄탈륨 산화물(Ta2O3), 티타늄 산화물(TiO2), 이트륨 산화물(Y2O3), 지르코늄 산화물(ZrO2), 지르코늄 실리콘 산화물(ZrSixOy), 하프늄 산화물(HfO2), 하프늄 실리콘 산화물(HfSixOy), 란탄 산화물(La2O3), 란탄 알루미늄 산화물(LaAlxOy), 란탄 하프늄 산화물(LaHfxOy), 하프늄 알루미늄 산화물(HfAlxOy), 및 프라세오디뮴 산화물(Pr2O3) 중 어느 하나일 수 있다. 금속 물질층(ML)은 도전 물질을 포함할 수 있으며, 상기 도전 물질은 도핑된 반도체 물질(예: 도핑된 실리콘, 도핑된 저마늄 등), 도전성 금속 질화물(예: 티타늄 질화물, 탄탈륨 질화물, 텅스텐 질화물 등), 금속(예: 텅스텐, 티타늄, 탄탈륨, 코발트, 알루미늄. 루테늄 등), 및 금속-반도체 화합물(예: 텅스텐 실리사이드, 코발트 실리사이드, 티타늄 실리사이드 등) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 13을 참조하면, 갭필 절연층(190)을 추가로 형성할 수 있다.
절연 물질을 증착하고 평탄화 공정을 수행함으로써, 제1 개구부(OP1)를 덮도록 갭필 절연층(190)을 추가로 형성할 수 있다. 다만, 실시예들에 따라, 기존의 갭필 절연층(190)과 본 단계에서 제1 개구부(OP1)를 채우는 갭필 절연층(190)을 서로 다른 절연 물질을 포함할 수도 있다.
도 14a, 도 14b, 도 14c, 및 도 14d를 참조하면, 마스크 패턴을 이용하여 제2 개구부(OP2)를 형성하고, 제1 예비 소스/드레인 영역(151') 및 희생 구조물들(180')을 형성할 수 있다.
마스크 패턴을 이용한 노광 및 식각 공정을 통해 상기 적층 구조물을 관통하여 하부 구조물(110)을 노출시키는 제2 개구부(OP2)를 형성할 수 있다. 제2 개구부는 제1 개구부(OP1)와 다른 형상일 수 있다.
예시적인 실시예에서, 제2 개구부(OP2)는 금속 물질층들(ML) 중 제2 영역(R2) 상에 배치되는 부분을 노출시키지 않으면서 제1 영역(R1) 상에 배치되는 부분을 노출시키는 라인 형태의 제1 개구 영역(OP2_1)를 포함할 수 있다. 제1 개구 영역(OP2_1)의 Y 방향으로의 폭은 제1 폭(W1)보다는 작고, 제2 폭(W2)보다는 클 수 있다. 상기 식각 공정은 금속 물질층(ML)에 대하여 희생층들(118), 반도체층들(119), 및 갭필 절연층(190)을 선택적으로 제거하는 공정일 수 있다. 이에 따라, 제1 영역(R1) 상에서 돌출부들(119p)을 둘러싸는 금속 물질층(ML) 중 적어도 일부가 노출될 수 있다. 제1 개구 영역(OP2_1)의 Y 방향으로의 폭에 의해, 후속 공정을 통해 형성되는 제2 소스/드레인 영역(152, 도 2a 참조)의 Y 방향으로의 길이가 결정될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 제2 개구부(OP2)는 제1 영역(R1) 상에서, Y 방향으로 연장되고 X 방향으로 서로 이격되어 배치되는 제2 개구 영역들(OP2_2)을 포함할 수 있다. 반도체층들(119) 중 제2 개구 영역들(OP2_2)에 의해 X 방향을 따라 서로 이격되어 배치되는 부분들은 희생 구조물들(180')로 지칭될 수 있다. 희생 구조물들(180')은 후속 공정을 통해 정보 저장 구조물(180)로 대체되는 부분일 수 있다. 제2 개구 영역들(OP2_2)은 제1 개구 영역(OP2_1), 금속 물질층(ML) 및 유전 물질층(DL)과 이격되어 배치될 수 있다. 반도체층들(119) 중 제2 개구 영역들(OP2_2)과 제1 개구 영역(OP2_1) 사이의 부분들 중 적어도 일부(예를 들어, 돌출부들(119p)을 제외한 부분)는 제1 예비 소스/드레인 영역(151')으로 지칭될 수 있다. 제1 예비 소스/드레인 영역(151')은 희생 구조물들(180') 및 돌출부들(119p) 사이에서 X 방향으로 연장될 수 있다.
실시예들에 따라, 제2 개구 영역들(OP2_2)은 제1 개구 영역(OP2_1)의 X 방향을 따른 축으로부터 대칭적인 형상을 가질 수 있다.
실시예들에 따라, 제2 개구 영역들(OP2_2)은 유전 물질층(DL)의 일부를 노출시킬 수 있다.
도 15a, 도 15b, 도 15c, 및 도 15d를 참조하면, 제2 개구부(OP2)를 통해 노출된 희생층들(119) 일부를 제거하여 희생 구조물들(180')의 사면을 노출시킬 수 있다.
제2 개구부(OP2)의 제2 개구 영역들(OP2_2)에 의해 노출된 희생층들(119)의 일부를 반도체층들(119)에 대하여 선택적으로 제거하도록 습식 식각 공정을 수행할 수 있다. 상기 식각 공정은 인접한 제2 개구 영역들(OP2_2) 사이의 희생층들(119)이 완전히 제거되도록 수행될 수 있다.
상기 식각 공정에 의해 희생층들(119)을 제거함에 따라 희생층들(119)의 측벽에 배치되었던 유전 물질층(DL)이 노출될 수 있다.
도 16a, 도 16b, 도 16c, 및 도 16d를 참조하면, 식각 공정을 수행하여 제2 예비 소스/드레인 영역들(152), 복수의 게이트 패턴들(165) 및 복수의 도전성 라인 패턴들(170)을 형성할 수 있다.
제1 개구 영역(OP2_1)을 통한 상기 식각 공정에서, 돌출부들(119p)의 일단을 둘러싸는 유전 물질층(DL) 및 금속 물질층(ML)을 제거하고 돌출부들(119p)의 일부를 노출시킴으로써, 제2 예비 소스/드레인 영역들(152')을 형성할 수 있다. 즉, 제2 예비 소스/드레인 영역들(152')은 상기 식각 공정에 의해 노출된 돌출부들(119p)의 일부를 의미할 수 있다. 상기 식각 공정의 공정 조건에 따라 후속 공정을 통해 형성되는 제2 소스/드레인 영역(152, 도 2a 참조)의 Y 방향으로의 길이가 결정될 수 있다.
제2 개구 영역들(OP2_2)을 통한 상기 식각 공정에서, 제2 개구 영역들(OP2_2)에 의해 노출된 유전 물질층(DL) 및 금속 물질층(ML)을 제거하고 반도체층들(119) 별로 금속 물질층(ML)을 분리시킴으로써, 게이트 패턴들(165) 및 도전성 라인 패턴들(170)을 형성할 수 있다. 즉, 게이트 패턴들(165)은 돌출부들(119p)을 둘러싸는 금속 물질층(ML)의 일부를 의미할 수 있고, 도전성 라인 패턴들(170)은 돌출부들(119p) 사이에서 제1 예비 소스/드레인 영역(151')의 측벽 상에 배치된 금속 물질층(ML)의 일부를 의미할 수 있다. 게이트 패턴들(165)과 도전성 라인 패턴들(170)은 일체로 연결될 수 있다.
본 단계에서, 제2 영역(R2) 상에 배치되는 돌출부들(119p) 및 이를 둘러싸는 금속 물질층(ML)은 제2 개구부(OP2)에 의해 노출되지 않음에 따라 제거되지 않고 잔존하여 랜딩 패턴들(LP)을 이룰 수 있다.
일 예에서, 상기 식각 공정은 제2 개구 영역들(OP2_2)을 통해 노출된 유전 물질층(DL)을 선택적으로 제거하는 제1 식각 공정, 제1 및 제2 개구 영역들(OP2_1, OP2_2)을 통해 노출된 금속 물질층(ML)을 선택적으로 제거하는 제2 식각 공정, 및 제1 개구 영역(OP2_1)을 통해 노출된 유전 물질층(DL)을 선택적으로 선택적으로 제거하는 제3 식각 공정을 포함할 수 있다.
다른 예에서, 상기 식각 공정은 제1 개구 영역(OP2_1)을 통해 노출된 금속 물질층(ML)을 선택적으로 제거하는 제1 식각 공정, 제1 및 제2 개구 영역들(OP2_1, OP2_2)을 통해 노출된 유전 물질층(DL)을 선택적으로 제거하는 제2 식각 공정, 및 제2 개구 영역들(OP2_2)을 통해 노출된 금속 물질층(ML)을 선택적으로 선택적으로 제거하는 제3 식각 공정을 포함할 수 있다.
다른 예에서, 상기 식각 공정은 유전 물질층(DL) 및 금속 물질층(ML)을 동시에 제거하는 단일한 식각 공정으로 수행될 수도 있다.
도 17a, 도 17b, 도 17c, 및 도 17d를 참조하면, 제1 마스크 패턴(M1)을 이용하여 제3 개구부을 형성하고, 희생 구조물들(180')을 제거하고 정보 저장 구조물(180)을 형성한 뒤, 갭필 절연층(190)을 추가로 형성할 수 있다.
제1 마스크 패턴(M1)을 이용한 노광 및 식각 공정을 통해 상기 적층 구조물을 관통하여 하부 구조물(110)을 노출시키는 상기 제3 개구부를 형성할 수 있다. 상기 제3 개구부는 제2 개구부(OP2)의 끝단과 인접한 위치에서 X 방향으로 연장되는 트랜치 형상일 수 있다. 상기 제3 개구부에 의해 희생 구조물들(180')이 노출될 수 있다.
상기 제3 개구부에 의해 노출된 희생 구조물들(180')을 선택적으로 제거하여 터널부들을 형성하고, 상기 터널부들 내에 제1 전극(181), 유전체층(185), 및 제2 전극(182)을 차례로 형성하여 정보 저장 구조물(180)을 형성할 수 있다.
다음으로, 상기 제3 개구부 내에 물질들을 식각 공정을 통해 제거하고 갭필 절연층(190)을 추가로 형성할 수 있다. 다만, 본 단계에서, 상기 식각 공정은 생략될 수도 있다.
도 18a, 도 18b, 도 18c, 및 도 18d를 참조하면, 제1 및 제2 소스/드레인 영역들(151, 152)을 형성할 수 있다.
제2 마스크 패턴(M2)을 이용하여 제1 예비 소스/드레인 영역들(151')의 일부를 관통하는 제4 개구부를 형성할 수 있다. X 방향으로 연장되는 제1 예비 소스/드레인 영역(151')은 상기 제4 개구부에 의해 X 방향으로 서로 이격되어 배치되는 패턴들을 포함하는 패턴 구조물이 형성될 수 있다. 상기 제4 개구부를 통해 상기 패턴 구조물에 대하여 불순물을 도핑함에 따라 제1 소스/드레인 영역들(151)이 형성될 수 있다.
제2 예비 소스/드레인 영역들(152')을 노출시키는 개구부를 형성한 뒤 불순물을 도핑함에 따라 제2 소스/드레인 영역들(152)이 형성될 수 있다.
실시예들에 따라, 제1 및 제2 소스/드레인 영역들(151, 152)을 형성하는 순서는 다양하게 변경될 수 있다.
이에 따라, 반도체 패턴들(140), 제1 및 제2 소스/드레인 영역들(151, 152), 게이트 패턴들(165), 정보 저장 구조물(180)을 각각 포함하는 복수의 구조물들(LS)이 형성될 수 있다. 복수의 구조물들(LS)은 X 방향 및 Z 방향으로 서로 이격되어 배치될 수 있다. 이에 따라, 집적도가 향상된 반도체 소자가 제공될 수 있다.
도 19를 참조하면, 복수의 수직 도전 패턴들(130) 및 랜딩 콘택들(LC)을 형성할 수 있다.
복수의 구조물들(LS) 사이를 관통하고 X 방향으로 서로 이격되어 배치되는 개구부들을 형성하고, 상기 개구부들 내에 도전성 물질을 증착하고 평탄화 공정을 수행하여 복수의 수직 도전 패턴들(130)을 형성할 수 있다.
갭필 절연층(190)을 관통하여 제2 영역(R2) 상에 배치된 랜딩 패턴들(LP)에 접촉하는 랜딩 콘택들(LC)을 형성할 수 있다.
다음으로, 상부 배선 등을 형성하여 도 1a 내지 도 2b의 반도체 소자(100)를 형성할 수 있다.
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 변경과 실시예들의 조합이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
100: 반도체 소자 110: 하부 구조물
120: 수평 구조물 121: 층간 절연층
130: 수직 도전 패턴 140: 반도체 패턴
150: 소스/드레인 영역 162: 유전 패턴
165: 게이트 패턴 170: 도전성 라인 패턴
180: 정보 저장 구조물 190: 갭필 절연층
LC: 랜딩 콘택 LP: 랜딩 패턴
LS: 구조물

Claims (10)

  1. 기판;
    상기 기판 상에서 제1 수평 방향으로 서로 이격되어 배치되는 복수의 반도체 패턴들, 상기 복수의 반도체 패턴들의 각각은 상기 제1 수평 방향에서 서로 대향하는 제1 측면들 및 상기 제1 수평 방향과 수직인 제2 수평 방향에서 서로 대향하는 제2 측면들을 갖고;
    상기 복수의 반도체 패턴들 각각의 상기 제2 측면들 상에 배치되는 소스/드레인 영역들;
    상기 복수의 반도체 패턴들 각각의 상면, 하면, 및 상기 제1 측면들을 둘러싸는 복수의 게이트 패턴들;
    상기 복수의 게이트 패턴들을 연결하는 복수의 도전성 라인 패턴들; 및
    상기 복수의 반도체 패턴들과 상기 제2 수평 방향으로 나란하게 배치되는 정보 저장 구조물들을 포함하는 반도체 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 도전성 라인 패턴들 각각은 인접한 상기 복수의 게이트 패턴들 사이에서 상기 제1 수평 방향으로 연장되는 반도체 소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 도전성 라인 패턴들 각각의 상면은 인접한 상기 복수의 게이트 패턴들 각각의 상면과 공면을 이루고,
    상기 복수의 도전성 라인 패턴들 각각의 하면은 인접한 상기 복수의 게이트 패턴들 각각의 하면과 공면을 이루는 반도체 소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 도전성 라인 패턴들 각각은 상기 복수의 게이트 패턴들 각각과 일체로 연결되는 반도체 소자.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 도전성 라인 패턴들은 상기 복수의 게이트 패턴들의 물질과 동일한 물질을 포함하는 반도체 소자.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 소스/드레인 영역들은 상기 복수의 반도체 패턴들의 일측에 배치되는 제1 소스/드레인 영역 및 상기 복수의 반도체 패턴들의 상기 일측과 대향하는 반대측에 배치되는 제2 소스/드레인 영역을 포함하고,
    상기 제1 소스/드레인 영역의 상기 제2 수평 방향에서의 제1 길이는 상기 제2 소스/드레인 영역의 상기 제2 수평 방향에서의 제2 길이와 다르고,
    상기 제1 소스/드레인 영역의 상기 제1 수평 방향에서의 폭은 상기 정보 저장 구조물들로부터 상기 복수의 반도체 패턴들을 향하는 방향으로 증가하는 부분을 포함하는 반도체 소자.
  7. 기판;
    상기 기판 상에 교대로 적층된 복수의 수평 구조물들 및 복수의 층간 절연층들; 및
    상기 기판 상에서, 상기 기판의 상면에 수직한 수직 방향으로 연장되는 수직 도전 패턴을 포함하고,
    상기 복수의 수평 구조물들 각각은 상기 수직 도전 패턴의 제1 측에 배치되는 제1 구조물 및 상기 제1 구조물과 이격되어 상기 수직 도전 패턴의 상기 제1 측과 대향하는 제2 측에 배치되는 제2 구조물을 포함하고
    상기 수직 도전 패턴은 상기 제1 구조물 및 상기 제2 구조물 사이에서, 상기 복수의 수평 구조물들 각각의 상기 제1 구조물 및 상기 제2 구조물과 전기적으로 연결되고,
    상기 제1 구조물 및 상기 제2 구조물 각각은,
    반도체 패턴, 상기 반도체 패턴은 제1 수평 방향에서 서로 대향하는 제1 측면들 및 상기 제1 수평 방향과 수직인 제2 수평 방향에서 서로 대향하는 제2 측면들을 갖고;
    상기 반도체 패턴의 상기 제2 측면들 중 일측 상에 배치되는 제1 소스/드레인 영역 및 상기 반도체 패턴의 상기 제2 측면들 중 상기 일측과 대향하는 반대측 상에 배치되고 상기 반도체 패턴과 상기 수직 도전 패턴 사이에 배치되는 제2 소스/드레인 영역을 갖는 소스/드레인 영역들;
    상기 반도체 패턴의 상면, 하면, 및 상기 제1 측면들을 둘러싸는 게이트 패턴;
    상기 소스/드레인 영역들의 상기 제1 소스/드레인 영역의 측면 상에 배치되는 정보 저장 구조물을 포함하는 반도체 소자.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 복수의 층간 절연층들 각각은 상기 게이트 패턴과 수직으로 중첩되는 제1 부분 및 나머지의 제2 부분을 포함하고,
    상기 제1 부분의 두께는 상기 제2 부분의 두께보다 작은 반도체 소자.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 수직 도전 패턴은 제1 수평 방향으로 이격되어 배치되는 복수의 수직 도전 패턴들을 포함하고,
    상기 제1 구조물은 상기 제1 수평 방향으로 이격되어 배치되는 복수의 제1 구조물들을 포함하고,
    상기 제2 구조물은 상기 제1 수평 방향으로 이격되어 배치되는 복수의 제2 구조물들을 포함하고,
    상기 복수의 수평 구조물들 각각은, 상기 복수의 제1 구조물들의 제1 게이트 패턴들을 연결하는 제1 도전성 라인 패턴들 및 상기 복수의 제2 구조물들의 제2 게이트 패턴들을 연결하는 제2 도전성 라인 패턴들을 더 포함하는 반도체 소자.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 도전성 라인 패턴들 각각은 제1 게이트 패턴들 사이에서 상기 제1 수평 방향으로 연장되고,
    상기 제2 도전성 라인 패턴들 각각은 제2 게이트 패턴들 사이에서 상기 제1 수평 방향으로 연장되고,
    상기 제1 도전성 라인 패턴들은 상기 제2 도전성 라인 패턴들과 이격되어 배치되는 반도체 소자.
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