KR100685600B1 - Method for forming semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 형성 방법에 관한 것으로, 특히 숏채널효과(Short channel effect)를 해결 할 수 있는 STAR 게이트(STep Asymmetry Recess)를 형성하는데 있어, 게이트의 리닝(leaning) 현상에 의한 소자의 특성 저하 문제를 극복하기 위하여, 활성영역의 중앙부에 돌출된 형태가 아닌 리세스 영역을 형성하되 리세스 영역이 형성되는 영역의 활성영역의 선폭을 증가시킴으로써, 상기 리세스 영역과 오버랩되는 게이트가 토플러지에 의한 영향을 최대한 적게 받으면서도 숏채널효과를 개선할 수 있도록 하는 반도체 소자의 형성 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of forming a semiconductor device. In particular, in forming a star asymmetry recess that can solve a short channel effect, characteristics of the device due to a gate lining phenomenon In order to overcome the degradation problem, by forming a recessed region that is not protruding in the center of the active region but increasing the line width of the active region of the region where the recess region is formed, a gate overlapping the recess region is formed in the top-flush. The present invention relates to a method of forming a semiconductor device capable of improving the short channel effect while being affected by the least amount.
Description
도 1 및 도 2 는 고유전상수를 갖는 절연막에 의한 강한 측면 전기장으로 발생되는 숏채널효과를 도시한 개념도.1 and 2 are conceptual diagrams illustrating a short channel effect generated by a strong side electric field by an insulating film having a high dielectric constant.
도 3 내지 도 5 은 종래기술의 실시예에 따른 반도체 소자의 형성 방법을 도시한 평면도 및 단면도.3 to 5 are plan and cross-sectional views illustrating a method of forming a semiconductor device in accordance with an embodiment of the prior art.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 STAR 게이트 형성 방법을 도시한 평면도들.6A through 6C are plan views illustrating a method of forming a STAR gate according to the present invention.
도 7a 내지 도 7f는 본 발명에 따른 STAR 게이트 형성 방법을 도시한 단면도들.7A to 7F are cross-sectional views illustrating a method of forming a STAR gate according to the present invention.
도 8은 본 발명에 따른 STAR 게이트의 단면도.8 is a cross-sectional view of a STAR gate according to the present invention.
본 발명은 반도체 소자의 형성 방법에 관한 것으로, 특히 숏채널효과(Short channel effect)를 해결 할 수 있는 STAR 게이트를 형성하는데 있어, 게이트의 리닝(leaning) 현상에 의한 소자의 특성 저하 문제를 극복하기 위하여, 활성영역의 중앙부에만 리세스 영역을 형성하여 STAR 게이트를 형성하는 반도체 소자의 형성 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of forming a semiconductor device. In particular, in forming a STAR gate that can solve a short channel effect, it is possible to overcome the problem of deterioration of device characteristics due to the gate lining phenomenon. The present invention relates to a method of forming a semiconductor device in which a recess region is formed only in a central portion of an active region to form a STAR gate.
트랜지스터의 제조에 있어서 가장 중요한 파라미터(parameter)의 하나는 문턱전압(Threshold Voltage(Vt))이다. 문턱전압은 게이트 산화막 두께, 채널 도핑( Channel doping) 농도, 옥사이드 차아지(Oxide charge), 그리고 게이트 스택에 사용되는 물질에 의존하는 변수이다. 이러한 문턱전압은 소자의 크기가 감소함에 따라 이론치와 일치하지 않는 여러 현상들이 나타나고 있다. 그 중에서 현재 당면하고 있는 문제는 게이트 채널 길이(Gate channel length)가 감소함에 따라 발생하는 숏채널효과라 할 수 있겠다. One of the most important parameters in the fabrication of transistors is the threshold voltage (Vt). The threshold voltage is a variable that depends on the gate oxide thickness, the channel doping concentration, the oxide charge, and the material used for the gate stack. As the size of the device decreases as the threshold voltage, various phenomena appearing that do not coincide with theoretical values. The problem currently encountered is the short channel effect that occurs as the gate channel length decreases.
반도체소자가 고집적화됨에 따라 nm급 소자에서는 속도 향상과 1 ~ 2V의 낮은 동작전압에서 작동하는 소자를 요구하게 되었고 그에 따라 문턱전압도 낮은 전압을 요구하고 있다. As semiconductor devices have been highly integrated, nm-class devices require devices that operate at lower speeds and lower operating voltages of 1 to 2V, and therefore require lower voltages.
그러나 숏채널효과에 의해 문턱전압은 더 낮아지게 되어 소자를 제어불가능 하도록 만들고 있다. However, due to the short channel effect, the threshold voltage is lowered, making the device uncontrollable.
특히, 게이트의 브레이크다운(Breakdown) 현상을 방지하기 위해 유전상수가 높은(high-k) 특성을 갖는 물질을 사용하면서 숏채널효과는 더욱 큰 문제점으로 부각되고 있다.In particular, while using a material having a high-k dielectric constant to prevent breakdown of the gate, the short channel effect is becoming more problematic.
도 1 및 도 2 는 고유전상수를 갖는 절연막에 의한 강한 측면 전기장으로 발생되는 숏채널효과를 도시한 개념도이다.1 and 2 are conceptual diagrams illustrating a short channel effect generated by a strong side electric field by an insulating film having a high dielectric constant.
상기 도 1은 숏채널효과에 의한 DIBL(Drain Induced Built-in Leakage) 현상을 도시한 것이고, 상기 도 2는 고유전상수에서 발생하는 강한 전기장을 도시한 것이다. (Reference : Design Considerations of High-K Gate Dielectrics and Metal Gate Electrodes for Sub-0.1 um MOSFETs
Cheng, B.; Cao, M.; Voode, P.V.; Greene, W.; Stork, H.; Yu, Z.; Woo, J.C.S.
Solid-State Device Research Conference, 1998. Proceeding of the 28th European Volume , Issue , 8-10 September 1998 Page(s): 308 - 311)FIG. 1 illustrates a drain induced built-in leakage (DIBL) phenomenon due to a short channel effect, and FIG. 2 illustrates a strong electric field generated by a high dielectric constant. (Reference: Design Considerations of High-K Gate Dielectrics and Metal Gate Electrodes for Sub-0.1 um MOSFETs
Cheng, B .; Cao, M .; Voode, PV; Greene, W .; Stork, H .; Yu, Z .; Woo, JCS
Solid-State Device Research Conference, 1998. Proceeding of the 28th European Volume, Issue, 8-10 September 1998 Page (s): 308-311)
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이러한 숏채널효과를 감소시키기 위해 여러 연구가 진행 중이지만 반도체소자의 고집적화에 따라 이를 만족시키기 위한 해결책은 여전히 미완상태이다. In order to reduce the short channel effect, various researches are underway, but the solution to satisfy this problem is still incomplete due to the high integration of semiconductor devices.
현재 연구가 되고 있는 방향은 도핑(doping) 농도를 조절하는 방법으로 해결책을 찾고자 하지만 이는 궁극적인 숏채널효과의 해결 방법은 되지 못한다. 현재 알려진 연구방법은 수직에 가까운 경사이온주입(Vertically Abrupt Channel Doping) 을 통한 SSR(Super Steep Retrograde Channel), 이온 임플란트 채널(Ion Implant Channel)을 형성하는 방법, 측면 경사이온주입(laterally Abrupt Channel Doping)을 통한 리세스 채널(Recessed-Channel)을 형성하는 방법, 큰 각의 경사이온주입(Large Angle Tilt Implant)를 통한 할로 구조(Halo Structure) 를 갖는 채널을 형성하는 방법 등이 연구되어 지고 있다.The current direction is to find a solution by adjusting the doping concentration, but this is not the solution for the ultimate short channel effect. Currently known research methods include super steep retrograde channels (SSRs), near ion implant channels (Vertically Abrupt Channel Doping), and ion implant channels (laterally abrupt channel doping). A method of forming a recessed-channel through a channel, a method of forming a channel having a halo structure through a large angle tilt implant, and the like has been studied.
그러나, 게이트 산화막 두께, 채널 농도를 통한 숏채널효과의 감소는 근본적인 한계를 가지고 있다. However, the reduction of the short channel effect through the gate oxide thickness and the channel concentration has a fundamental limitation.
최근에는, 근본적인 한계를 극복하기 위하여 STAR 게이트로 채널 길이를 증가시킬 수 있도록 하고 있다. Recently, in order to overcome fundamental limitations, the channel length can be increased with the STAR gate.
도 3 내지 도 5 은 종래기술의 실시예에 따른 반도체 소자의 형성 방법을 도 시한 평면도 및 단면도이다.3 to 5 are plan views and cross-sectional views illustrating a method of forming a semiconductor device in accordance with an embodiment of the prior art.
도 3은 석영기판 상에 크롬패턴이 형성된 노광마스크를 도시한 평면도로서, STAR 게이트의 형성 공정 시 돌출부를 구성하는 부분에 차광패턴인 크롬패턴(15)이 형성된 STAR 게이트 마스크(20)를 도시한 것이다. FIG. 3 is a plan view illustrating an exposure mask having a chrome pattern formed on a quartz substrate, and illustrates a STAR
이때, 상기 돌출부는 활성영역을 교차하며 통과하는 두 개의 게이트 저부에 걸쳐 형성된 것이다.In this case, the protrusion is formed over two gate bottoms passing through the active region.
도 4 는 상기 도 3 의 노광마스크를 이용하여 반도체기판 상에 돌출부 및 게이트를 형성한 것을 도시한 평면도이고, 상기 도 5 은 상기 도 4 의 ⓑ-ⓑ 방향에 따른 단면을 따라 도시한 단면도이다. 4 is a plan view illustrating a protrusion and a gate formed on a semiconductor substrate by using the exposure mask of FIG. 3, and FIG. 5 is a cross-sectional view taken along a ⓑ-ⓑ direction of FIG. 4.
도 4 및 도 5를 참조하면, 반도체 기판 상에 활성영역(30)을 정의하는 트렌치형 소자분리막(35)을 형성한다. 이때, 상기 트렌치형 소자분리막(35)은 반도체 기판(10) 상에 패드 절연막(미도시)을 형성하고 소자분리 마스크를 이용한 사진식각공정으로 상기 패드 절연막 및 소정 두께의 반도체 기판을 식각한 다음, 이를 매립하는 필드 산화막을 형성하고 상기 패드 절연막을 제거함으로써 형성한 것이다. 4 and 5, a trench
다음에는, 상기 도 3 의 STAR 게이트 마스크를 이용한 사진식각공정으로 활성영역(30) 및 소자분리영역을 지나가는 돌출부(25)를 형성한다. 이때, 상기 사진식각공정은 네가티브형 감광막을 이용하여 실시한 것이다. Next, the
그 다음에는, 전체표면상부에 게이트산화막(40), 게이트용 실리콘(45), 고융점 금속층(50) 및 하드마스크층(55)을 적층한다. 이때, 상기 게이트용 실리콘(45)은 비정질 형태로 형성한 후 열처리하여 형성하고, 상기 고융점 금속층(50)은 텅스 텐 실리사이드층으로 형성한 것이며, 상기 하드마스크층(55)은 실리콘질화막으로 형성한 것이다. Then, the
그 다음에는, 게이트 마스크(미도시)를 이용한 사진식각공정으로 패터닝하여 게이트(65)를 형성한다.Next, the
이때, 상기 게이트(65)는 상기 돌출부(25)에 걸쳐진 형태로 형성되되, 활성영역(30)의 장축 방향으로 소자분리막이 형성된 소자분리영역 및 활성영역(30)에 각각 하나씩 구비되는 돌출부(25)에 두 개의 게이트(65) 저부가 걸쳐진 형태로 형성된 것이다. In this case, the
마지막으로, 상기 게이트(65) 측벽에 절연막 스페이서(60)를 형성한다. 이때, 상기 절연막 스페이서(60)는 전체표면상부에 질화막을 증착하고 이를 이방성 식각하여 형성한 것이다.Finally, an
상술한 바와 같이, 종래기술에 따른 반도체소자의 형성방법은, 숏채널효과에 의한 문제가 있고, STAR 게이트를 형성하여 채널 길이를 증가시킴으로써 숏채널효과를 극복할 수 있으나, 식각되는 부분의 활성영역 상측 게이트에서 라운드 토플러지가 파괴되어 게이트가 기울어지는 현상이 나타난다. 이에 따라, 활성영역의 에지부에 있는 게이트가 서로 기대어 붙는 리닝(Leaning) 현상이 발생하여 반도체 소자의 특성이 열화 되는 문제점이 있다.As described above, the method of forming a semiconductor device according to the related art has a problem due to the short channel effect, and the short channel effect can be overcome by forming a STAR gate to increase the channel length, but the active region of the portion to be etched. In the upper gate, the round top-flush is destroyed and the gate tilts. Accordingly, there is a problem in that a characteristic of a semiconductor device is deteriorated due to a lining phenomenon in which gates at edge portions of an active region are leaned against each other.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, STAR 게이트의 모양을 변형시켜, 활성영역의 중앙부에 돌출된 형태가 아닌 리세스 영역을 형성하되 리세스 영역이 형성되는 영역의 활성영역의 선폭을 증가시킴으로써, 상기 리세스 영역과 오버랩되는 게이트가 토플러지에 의한 영향을 최대한 적게 받으면서도 숏채널효과를 개선할 수 있도록 하는 반도체 소자의 형성 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다. In order to solve the above-mentioned problems of the prior art, the shape of the STAR gate is modified to form a recessed region that is not protruding in the center of the active region, but the line width of the active region of the region where the recessed region is formed. The purpose of the present invention is to provide a method of forming a semiconductor device in which a gate overlapping the recess region can be improved while the short channel effect is minimized while the gate overlapped with the recess region is minimized.
이상의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 소자의 형성 방법은,
아일랜드 형으로 배열된 활성영역의 중심부에 STAR(STep Asymmetry Recess) 게이트 형성을 위한 리세스 영역을 포함하는 반도체 기판에 있어서,
상기 리세스 영역으로 예정된 활성영역 중앙부의 선폭이 활성영역 양 에지 부분의 선폭보다 크게 정의되는 활성영역을 형성하는 단계;
상기 STAR 게이트 형성을 위한 반도체 기판을 식각하여 리세스 영역을 형성하는 단계; 및
상기 활성영역 및 상기 리세스 영역과 오버랩되는 게이트를 형성하되, 상기 활성영역의 양 에지부와 오버랩되는 게이트의 선폭은 다른 부분의 선폭보다 작게 형성되어 게이트의 선폭 중에서 오목한 부분이 포함되어 있는 모양이되도록 하는 것을 특징으로 한다.The method for forming a semiconductor device according to the present invention for achieving the above object,
A semiconductor substrate comprising a recess region for forming a star asymmetry recess (STAR) gate in a central portion of an active region arranged in an island shape.
Forming an active region in which a line width of a central portion of the active region, which is predetermined as the recess region, is defined to be larger than a line width of both edge portions of the active region;
Etching a semiconductor substrate for forming the STAR gate to form a recess region; And
A gate overlapping the active region and the recess region is formed, and a line width of the gate overlapping with both edge portions of the active region is formed to be smaller than a line width of another portion, such that a concave portion is included in the line width of the gate. It is characterized by that.
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이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 STAR 게이트 형성 방법을 도시한 평면도들이다.6A through 6C are plan views illustrating a method of forming a STAR gate according to the present invention.
도 6a를 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 리세스 영역(125)으로 예정된 활성영역(130) 중앙부의 선폭이 활성영역(130) 다른 부분, 즉 양 에지 부분의 선폭 보다 큰 활성영역(130)을 형성한다. 이때, 활성영역(130)의 중앙부는 비트라인 콘택 예정 영역을 의미하며, 평면도 상에서 볼 때 활성영역의 중심부가 볼록한 형태가 되어 활성영역의 모양이 은하(Galaxy) 모양이 되도록 하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 6A, an
도 6b를 참조하면, 활성영역(130)의 리세스 예정 영역을 식각하여 STAR 게이트 형성을 위한 리세스 영역(125)을 형성한다. 이때, STAR 게이트 형성을 위한 리세스 영역(125)은 활성영역(130)의 중심부인 비트라인 콘택 예정 영역 및 이와 인접한 반도체 기판을 포함하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 6B, a recessed region of the
도 6c를 참조하면, STAR 게이트 형성을 위한 리세스 영역(125)과 오버랩되는 게이트(165)를 형성하되, 활성영역(130) 에지 부분의 양 에지부와 오버랩되는 게이트(165)의 선폭을 다른 부분의 선폭보다 작게 형성한다. 이때, 게이트(165)와 오버랩되는 활성영역(130)인 리세스 영역(125)의 범위는 비트라인 콘택 영역에서부터 게이트(165)의 중심부까지 확장된 영역이 되도록 하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 6C, the
도 7a 내지 도 7f는 본 발명에 따른 STAR 게이트 형성 방법을 도시한 단면도들이다.7A to 7F are cross-sectional views illustrating a method of forming a STAR gate according to the present invention.
도 7a를 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 활성영역(130)을 정의하는 트렌치형 소자분리막(135)을 형성한다. 이때, 상기 트렌치형 소자분리막(135)은 반도체 기판(100) 상에 패드 절연막(미도시)을 형성하고 소자분리 마스크를 이용한 사진식각공정으로 상기 패드 절연막 및 소정 두께의 반도체 기판을 식각한 다음, 이를 매립하는 필드 산화막을 형성하고 상기 패드 절연막을 제거함으로써 형성한 것이다. 여기에서, 활성영역(130)은 후속의 STAR 게이트 형성을 위한 리세스 예정 영역 부분의 활성영역(130) 선폭이 활성영역(130)의 에지부 선폭보다 더 두껍게 형성되도록 한다. 이는 게이트(165)와 활성영역(130)의 접촉 면적을 증가시켜서 게이트(165)의 전기적 특성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 비트라인 콘택 영역을 넓게 확보하기 위한 방법이다.Referring to FIG. 7A, a trench
그 다음에는, 활성영역(130) 표면에 버퍼 산화막(110)을 형성하고, 웰 이온 주입 및 채널 이온 주입 공정을 수행한다.
Next, a
도 7b를 참조하면, 반도체 기판(100) 전면에 반사 방지막(115)을 형성한 후 본 발명에 따른 STAR 게이트 구조를 위하여 활성영역(130)의 중앙부만 식각할 수 있는 감광막 패턴(120)을 형성한다.Referring to FIG. 7B, after the
도 7c를 참조하면, 감광막 패턴(120)을 이용한 사진식각공정으로 활성영역(130) 중앙부 및 그 주변 소자분리영역을 식각하여 리세스 영역을 형성하고, 반사방지막(115)을 제거한다.Referring to FIG. 7C, in the photolithography process using the photoresist pattern 120, the center portion of the
도 7d를 참조하면, 게이트(165) 스택 구조를 형성하기 위하여 버퍼 산화막(110)을 제거한다.Referring to FIG. 7D, the
도 7e를 참조하면, 전체표면상부에 게이트산화막(140), 게이트용 실리콘(145), 고융점 금속층(150) 및 하드마스크층(155)을 적층한다. 이때, 상기 게이트용 실리콘(145)은 비정질 형태로 형성한 후 열처리하여 형성하고, 상기 고융점 금속층(150)은 텅스텐 실리사이드층으로 형성한 것이며, 상기 하드마스크층(155)은 실리콘질화막으로 형성한 것이다.Referring to FIG. 7E, the
도 7f를 참조하면, 게이트 마스크(미도시)를 이용한 사진식각공정으로 패터닝하여 게이트(165)를 형성한다. 이때, 활성영역(130)과 오버랩되는 게이트를 형성하되, 활성영역(135)의 양 에지부와 오버랩되는 게이트(165)의 선폭을 다른 부분의 선폭보다 작게 형성한다. 즉, 활성영역(130)의 양 에지부와 인접하는 게이트(165) 부분이 오목하게 형성되는 모양이 되는데, 이와 같이 게이트(165)의 선폭에 변형을 주게 되면, 활성영역(130) 양단에 형성되는 스토리지 노드 콘택의 영역을 가능한 넓게 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 토플러지 변화에 따라 게이트(165)가 기울어지는 현상을 방지할 수 있게 된다.Referring to FIG. 7F, the
도 8은 본 발명에 따른 STAR 게이트의 단면도이며, 상기 도 6c의 ⓒ-ⓒ 방향에 따른 단면을 도시한 것이다.8 is a cross-sectional view of the STAR gate according to the present invention, and shows a cross section taken along the line ⓒ- © of FIG. 6C.
도 8을 참조하면, 비트라인 콘택 예정 영역이 리세스된 STAR 게이트 구조를 나타내고 있으며, 후속의 C-할로 이온 주입 공정을 수행하여 붕소(Boron) 이온이 확산된 영역(170)이 포함되어 있다.Referring to FIG. 8, the bit line contact predetermined region is recessed, and a
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 반도체 소자의 형성 방법은, STAR 게이트의 모양을 변형시키는 것을 주 목적으로 중심부가 볼록한 형태의 활성영역을 형성하고, 활성영역의 중심부에 STAR 게이트 형성용 리세스 영역을 형성하고, 게이트의 선폭에 오목부가 포함되도록 형성함으로써, 토플러지의 영향을 받지 않는 STAR 게이트를 형성하는 동시에 숏채널효과를 극복할 수 있는 STAR 게이트를 형성한다. 따라서 본 발명은 고집적 반도체 소자를 형성하는 공정 마진을 증가시키고, 반도체 소자의 전기적 특성 및 리프레쉬 특성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.As described above, the method for forming a semiconductor device according to the present invention forms an active region having a central convex shape for the main purpose of modifying the shape of the STAR gate, and a recess region for forming the STAR gate at the central portion of the active region. And forming a concave portion in the line width of the gate, thereby forming a STAR gate which is not affected by the top-flush and at the same time forms a STAR gate capable of overcoming the short channel effect. Therefore, the present invention increases the process margin for forming a highly integrated semiconductor device, and provides an effect of improving the electrical characteristics and the refresh characteristics of the semiconductor device.
아울러 본 발명의 바람직한 실시예는 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.In addition, a preferred embodiment of the present invention is for the purpose of illustration, those skilled in the art will be able to various modifications, changes, substitutions and additions through the spirit and scope of the appended claims, such modifications and changes are the following claims It should be seen as belonging to a range.
Claims (1)
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KR1020040115457A KR100685600B1 (en) | 2004-12-29 | 2004-12-29 | Method for forming semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
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KR1020040115457A KR100685600B1 (en) | 2004-12-29 | 2004-12-29 | Method for forming semiconductor device |
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KR1020040115457A KR100685600B1 (en) | 2004-12-29 | 2004-12-29 | Method for forming semiconductor device |
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-
2004
- 2004-12-29 KR KR1020040115457A patent/KR100685600B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR960043245A (en) * | 1995-05-04 | 1996-12-23 | 김주용 | Semiconductor memory device and manufacturing method thereof |
Non-Patent Citations (1)
Title |
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공개번호 한국 1019960043245 |
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