KR101003495B1 - Semiconductor device having 4?2 transistor and the method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명의 4F2 트랜지스터를 갖는 반도체 소자 및 그 제조방법은, 소자분리막에 의해 활성영역이 정의된 반도체 기판; 활성영역 내에 수직 구조로 형성된 제1 트렌치; 제1 트렌치와 직교하는 방향으로 형성된 제2 트렌치; 제1 트렌치를 일부 매립하면서 반도체 기판의 일 방향으로 형성된 매립비트라인; 제2 트렌치를 일부 매립하면서 매립비트라인과 직교하는 방향으로 형성된 게이트금속막패턴 및 게이트금속막패턴의 각 면과 접촉하는 게이트 전극을 포함하는 워드라인; 워드라인과 매립비트라인을 분리하는 절연막; 및 제2 트렌치를 모두 매립하는 층간절연막을 포함한다.A semiconductor device having a 4F2 transistor of the present invention, and a method of manufacturing the same, include a semiconductor substrate having an active region defined by an isolation layer; A first trench formed in a vertical structure in the active region; A second trench formed in a direction orthogonal to the first trench; A buried bit line formed in one direction of the semiconductor substrate while partially filling the first trench; A word line including a gate metal film pattern formed in a direction orthogonal to the buried bit line while partially filling the second trench, and a gate electrode contacting each surface of the gate metal film pattern; An insulating film separating the word line and the buried bit line; And an interlayer insulating film filling all of the second trenches.
4F2 트랜지스터, 벌브 트렌치, 게이트 전극 4F2 Transistor, Bulb Trench, Gate Electrode
Description
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 4F2 트랜지스터를 갖는 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a semiconductor device having a 4F2 transistor and a manufacturing method thereof.
반도체 소자의 집적도가 높아지면서 디자인 룰(design rule)은 감소하고 있다. 이러한 디자인 룰이 감소하면서 고집적화된 반도체 메모리 소자, 예를 들어 디램(DRAM; Dynamic Random Access Memory) 소자 기술 개발이 한계에 이르고 있는 상황이다. 이에 따라 1비트(bit)를 저장하는 셀의 단위 면적을 감소시키는 연구가 진행되고 있다. 현재 통상적으로 1비트를 저장하는 기준인 8F2에서 6F2 및 4F2 에 1K 단위 셀을 구현하게 함으로써 디램 소자의 칩(chip) 면적을 줄여 웨이퍼에 구현 가증한 칩의 개수를 증가시키기 위한 연구가 진행되고 있다. 이 가운데 동일한 디자인 룰을 적용할 경우, 현 수준보다 획기적으로 고집적화된 셀 형성이 가능한 4F2 트랜지스터에 대한 연구가 진행되고 있다. 4F2 트랜지스터 구성을 위해서는 셀 트랜지스터의 소스(source)부와 드레인(drain)부, 즉, 전하가 저장된 캐패시터 형성 영역의 소스부와 전하를 비트라인으로 방출하는 드레인부가 1F2 에 형성이 가능해 야 한다. 이를 위해 최근 1F2 내에 소스부와 드레인부 형성이 가능한 수직 형상(vertical type)의 셀 트랜지스터 구조에 대한 연구가 검토되고 있다. 수직 형상의 셀 트랜지스터는 웨이퍼에 활성 영역을 원기둥으로 수직하게 형성하여 불순물 영역과 게이트를 동시에 형성시키는 구조로 이루어진다. 즉, 8F2에서 수평 형상으로 형성되는 소스 영역 및 드레인 영역 부분을 상, 하부의 수직 형태로 구성함으로써 4F2 내에서 1K 셀 트랜지스터 동작 구현이 가능하도록 하는 방법이다. 이러한 수직 형상의 셀 트랜지스터는 8F2 구조와 대비하여 칩 면적을 감소시킬 수 있지만, 50nm이하의 소자를 형성하는데 있어서 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, 활성 영역을 원기둥 형태로 형성하고, 게이트 도전막을 채우기 위해 진행하는 필라 넥(pillar neck) 식각 공정에서 형성된 20nm 정도의 필라 넥이 필라의 하중을 견디지 못하고 부러지는 문제가 발생할 수 있다. 이에 따라 안정적으로 수직 형상의 활성 영역을 형성하면서 고집적화된 셀 구조를 형성할 수 있는 방법이 요구된다.As the degree of integration of semiconductor devices increases, design rules are decreasing. As such design rules decrease, development of highly integrated semiconductor memory devices, for example, dynamic random access memory (DRAM) devices, is reaching a limit. Accordingly, studies are being conducted to reduce the unit area of cells storing one bit. Currently, research is being conducted to increase the number of chips that can be implemented on wafers by reducing the chip area of DRAM devices by implementing 1K unit cells in 6F2 and 4F2 in 8F2, which is a standard for storing 1 bit. . If the same design rule is applied, 4F2 transistor is being researched that can form a highly integrated cell than the current level. In order to configure the 4F2 transistor, the source and drain portions of the cell transistor, that is, the source portion of the capacitor formation region where the charges are stored and the drain portion that discharges the charges to the bit line, must be formed in 1F2. To this end, a study on a vertical type cell transistor structure capable of forming a source portion and a drain portion within 1F2 has been studied. The vertical cell transistor has a structure in which an active region is vertically formed in a cylinder on a wafer to simultaneously form an impurity region and a gate. That is, by configuring the source region and the drain region portion formed in a horizontal shape at 8F2 in the vertical shape of the upper and lower portions, the 1K cell transistor operation can be implemented in the 4F2. Such a vertical cell transistor can reduce the chip area as compared to the 8F2 structure, but may cause problems in forming a device of 50 nm or less. For example, a problem may occur in which a pillar neck having a diameter of about 20 nm formed in a pillar neck etching process that forms the active region in a cylindrical shape and proceeds to fill a gate conductive layer may not withstand the load of the pillar and is broken. Accordingly, there is a need for a method capable of forming a highly integrated cell structure while stably forming an active region having a vertical shape.
본 발명에 따른 4F2 트랜지스터를 갖는 반도체 소자는, 소자분리막에 의해 활성영역이 정의된 반도체 기판; 상기 활성영역 내에 수직 구조로 형성된 제1 트렌치; 상기 제1 트렌치와 직교하는 방향으로 형성된 제2 트렌치; 상기 제1 트렌치를 일부 매립하면서 상기 반도체 기판의 일 방향으로 형성된 매립비트라인; 상기 제2 트렌치를 일부 매립하면서 상기 매립비트라인과 직교하는 방향으로 형성된 게이트금속막패턴 및 상기 게이트금속막패턴의 각 면과 접촉하는 게이트 전극을 포함하는 워드라인; 상기 워드라인과 매립비트라인을 분리하는 절연막; 및 상기 제2 트렌치를 모두 매립하는 층간절연막을 포함하는 것을 특징으로 한다.A semiconductor device having a 4F2 transistor according to the present invention includes a semiconductor substrate having an active region defined by an isolation layer; A first trench formed in a vertical structure in the active region; A second trench formed in a direction orthogonal to the first trench; A buried bit line formed in one direction of the semiconductor substrate while partially filling the first trench; A word line including a gate metal layer pattern formed in a direction orthogonal to the buried bit line while partially filling the second trench, and a gate electrode contacting each surface of the gate metal layer pattern; An insulating layer separating the word line and the buried bit line; And an interlayer insulating film filling all of the second trenches.
본 발명에 있어서, 상기 반도체 기판은 반도체 기판의 하부부터 순차적으로 형성된 제1 정션영역, 제2 정션영역 및 제3 정션영역을 포함하는 정션 영역을 더 포함하는 것이 바람직하다. 여기서 상기 제1 정션영역 및 제3 정션영역은 n형 불순물이 주입되고, 상기 제2 정션영역은 p형 불순물이 주입되어 형성된다.In the present invention, the semiconductor substrate may further include a junction region including a first junction region, a second junction region, and a third junction region sequentially formed from the bottom of the semiconductor substrate. The n-type impurity is implanted into the first junction region and the third junction region, and the p-type impurity is implanted into the second junction region.
상기 활성영역은 상기 활성영역의 각 면을 둘러싸게 형성된 소자분리막으로 정사각형 구조로 형성된다.The active region is a device isolation layer formed to surround each surface of the active region and has a square structure.
상기 제2 트렌치는 상기 절연막으로 상기 제1 트렌치와 소정 높이만큼 이격된 위치에 형성되고, 상기 매립비트라인은 금속막으로 형성되며, 상기 게이트 전극은 폴리실리콘막을 포함하여 형성된다. The second trench is formed at a position spaced apart from the first trench by a predetermined height with the insulating layer, the buried bit line is formed of a metal film, and the gate electrode is formed including a polysilicon film.
본 발명에 따른 4F2 트랜지스터를 갖는 반도체 소자의 제조방법은, 반도체 기판 내에 활성영역을 정의하는 소자분리막을 형성하는 단계; 상기 반도체 기판의 활성영역 내에 수직 방향으로 홀 형상의 상부 트렌치 및 벌브 형상의 하부 트렌치를 포함하는 벌브 트렌치를 형성하는 단계; 상기 벌브 형상의 하부 트렌치 노출면에 게이트절연막패턴을 형성하는 단계; 상기 게이트절연막패턴이 형성된 반도체 기판을 식각하여 상기 반도체 기판의 일 방향으로 뻗어있는 제1 트렌치를 형성하는 단계; 상기 제1 트렌치가 형성되면서 반구 형상으로 분리된 상기 벌브 형상의 하부 트렌치를 매립하는 게이트 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 트렌치를 일부 매립하는 매립비트라인을 형성하는 단계; 상기 매립비트라인이 형성된 제1 트렌치를 절연막으로 모두 매립하는 단계; 상기 절연막이 매립된 제1 트렌치와 직교하는 방향으로 상기 반도체 기판을 식각하여 제2 트렌치를 형성하는 단계; 상기 제2 트렌치를 일부 매립하는 게이트금속막패턴을 형성하여 상기 게이트 전극 및 상기 게이트금속막패턴을 포함하는 워드라인을 형성하는 단계; 및 상기 게이트금속막패턴이 형성된 제2 트렌치를 모두 매립하는 층간절연막을 형성하여 상기 매립비트라인 및 워드라인을 포함하는 트랜지스터를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. A method of manufacturing a semiconductor device having a 4F2 transistor according to the present invention includes forming a device isolation film defining an active region in a semiconductor substrate; Forming a bulb trench including a hole-shaped upper trench and a bulb-shaped lower trench in a vertical direction in an active region of the semiconductor substrate; Forming a gate insulating layer pattern on the lower trench exposed surface of the bulb shape; Etching the semiconductor substrate on which the gate insulating layer pattern is formed to form a first trench extending in one direction of the semiconductor substrate; Forming a gate electrode filling the bulb-shaped lower trench separated into a hemispherical shape while the first trench is formed; Forming a buried bit line filling a portion of the first trench; Filling all of the first trenches in which the buried bit lines are formed with an insulating layer; Etching the semiconductor substrate in a direction orthogonal to the first trench in which the insulating film is buried to form a second trench; Forming a word line including the gate electrode and the gate metal layer pattern by forming a gate metal layer pattern partially filling the second trench; And forming an interlayer insulating film filling all of the second trenches in which the gate metal film pattern is formed to form transistors including the buried bit lines and the word lines.
상기 소자분리막은 상기 활성영역의 각 면을 둘러싸는 정사각형 구조로 형성하는 것이 바람직하다. The device isolation layer may be formed in a square structure surrounding each surface of the active region.
상기 소자분리막을 형성하는 단계 이후에, 상기 반도체 기판 내에 정션영역을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 정션 영역은 상기 반도체 기판의 하부부터 순차적으로 형성된 제1 정션영역, 제2 정션영역 및 제3 정션영역을 포함하는 것이 바람직하다. 여기서 상기 제1 정션영역 및 제3 정션영역은 n형 불순물을 주입하여 형성하고, 상기 제2 정션영역은 p형 불순물을 주입하여 형성하는 것이 바람직하다. After the forming of the device isolation layer, the method may further include forming a junction region in the semiconductor substrate, wherein the junction region may include a first junction region, a second junction region, and a third junction region sequentially formed from the bottom of the semiconductor substrate. It is preferable to include a junction area. The first junction region and the third junction region may be formed by implanting n-type impurities, and the second junction region may be formed by implanting p-type impurities.
상기 게이트 전극을 형성하는 단계는, 상기 제1 트렌치를 반도체층으로 모두 매립하는 단계; 및 상기 반도체층 상에 에치백 공정을 진행하여 상기 제1 트렌치의 상부 및 하부의 반도체층을 식각하여 상기 반구 형상으로 분리된 상기 벌브 형상의 하부 트렌치 내부에 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. The forming of the gate electrode may include filling all of the first trenches with a semiconductor layer; And etching the semiconductor layers of the upper and lower portions of the first trench by performing an etch back process on the semiconductor layer to form a gate electrode in the bulb-shaped lower trench separated into the hemispherical shape. desirable.
상기 매립비트라인은 텅스텐을 포함하여 형성하는 것이 바람직하다. Preferably, the buried bit line includes tungsten.
상기 제2 트렌치는 상기 매립비트라인 위에 소정 두께의 절연막이 확보되는 지점까지 식각하여 형성하는 것이 바람직하다. The second trench may be formed by etching to a point where an insulating film having a predetermined thickness is secured on the buried bit line.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.
도 1a 내지 도 11c는 본 발명의 실시예에 따른 4F2 트랜지스터를 갖는 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위해 나타내보인 도면들이다. 그리고 도 12는 본 발명에 따른 4F2 타입의 셀 트랜지스터를 상부에서 나타내보인 평면도이다. 1A to 11C are views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device having a 4F2 transistor according to an embodiment of the present invention. 12 is a plan view showing a 4F2 type cell transistor according to the present invention from above.
도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 반도체 기판(100) 내에 활성영역(102)을 정의하는 소자분리막(110)을 형성한다. 구체적으로, 반도체 기판(100) 내에 소정 깊이의 소자분리 트렌치를 형성한다. 다음에 소자분리 트렌치를 절연물질로 매립한 다음, 평탄화 공정을 진행하여 활성영역(102)을 정의하는 소자분리막(110)을 형성한다. 활성영역(102)을 정의하는 소자분리막(110)은 산화막으로 형성할 수 있다. 이 경우, 활성영역(102)은 소자분리막(110)에 의해 각 면이 둘러싸이는 아일랜드(island) 구조로 형성할 수 있다. 여기서 도 1a는 본 발명의 실시예를 설명하기 위해 개략적으로 나타내보인 사시도이고, 도 1b는 도 1a를 x축의 A-A' 방향으로 잘라낸 일부분을 나타내보인 단면도이고, 도 1c는 도 1a를 y축의 B-B' 방향으로 잘라낸 일부분을 나타내보인 단면도이다. 이하 이에 대한 설명은 생략하기로 한다. 1A to 1C, an
도 2a 내지 도 2b를 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 형성된 활성영역(102, 도 1a 참조) 내에 정션영역(130)을 형성한다. 정션영역(130)은 반도체 기판(100) 내에 불순물을 주입하는 이온주입공정을 진행한 다음, 열처리를 수행하여 반도체 기판(100)의 수직 방향으로 형성한다. 반도체 기판(100) 내에 형성된 정션영역(130)은 이후 게이트 도전막이 형성될 위치까지 확산시켜 형성하며, 불순물의 종류에 따라 제1 정션영역(115), 제2 정션영역(120) 및 제3 정션영역(125)이 반도체 기판(100)의 하부부터 순차적으로 형성된다. 여기서 제1 정션영역(115) 및 제3 정션영역(125)은 n형 불순물을 주입하여 형성하고, 제2 정션영역(120)은 p형 불순물을 주입하여 형성한다. 이때, 먼저 주입되어 정션영역(130)의 바닥부에 형성된 제1 정션영역(115)은 이후 형성될 비트라인으로 전하를 흘려보내는 영역이다. 다음에 제2 정션영역(120)은 게이트 전극이 턴 온/턴 오프(turn on/turn off)될 때 소스 영역으로부터 신호가 지나가는 채널이 된다. 그리고 정션영역(130)의 최상층부에 형성된 제3 정션영역(125)은 이후 형성될 스토리지노드와 하부 전극을 연결시키는 역할을 한다. 2A through 2B, the
도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 형성된 정션영역(130) 내에 벌브 트렌치(145)를 형성한다. 구체적으로, 반도체 기판(100) 상에 레지스트막을 도포 및 패터닝하여 레지스트막 패턴(미도시함)을 형성한다. 여기서 레지스트막 패턴은 반도체 기판(100)의 일부 영역을 홀(hole) 형상으로 노출시킨다. 레지스트막 패턴에 의해 노출된 부분은 반도체 기판(100) 내에 정션영역(130)이 형성된 부분이다. 다음에 레지스트막 패턴을 식각마스크로 한 식각 공정을 진행하여 반도체 기판(100) 내에 홀 형상의 트렌치를 형성한다. 여기서 홀 형상의 트렌치는 정션영역(130) 가운데 제2 정션영역(120)이 위치한 깊이까지 식각하여 형성한다. 계속해서 홀 형상의 트렌치 내측에 모든 방향으로 식각이 진행되는 등방성식각을 진행하여 측면 방향으로 확장시켜 벌브(bulb) 형상의 트렌치를 형성한다. 이에 따라 정션영역(130) 내에는 홀 형상의 상부 트렌치(135) 및 벌브 형상의 하부 트렌치(140)를 포함하는 벌브 트렌치(145)가 형성된다. 여기서 등방성식각을 진행하는 동안, 정션영역(130)을 구성하는 불순물의 종류에 의해, 홀 형상의 상부 트렌치(135)의 하부에서부터 반도체 기판(100)의 내측으로 확장되어 벌브 형상의 하부 트렌치(140)를 구현할 수 있다. 이러한 벌브 트렌치(145)에서 반도체 기판(100)의 내측으로 확장된 벌브 형상의 하부 트렌치(140)는 이후 게이트 도전막이 배치될 영역이다. 3A through 3C, a
도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 벌브 형상의 하부 트렌치(140)의 노출면에 게이트 절연막 패턴(150)을 형성한다. 구체적으로, 반도체 기판(100) 및 트렌치(145) 상에 게이트 절연막을 형성한다. 게이트 절연막은 반도체 기판(100) 상에 산화 소스를 공급하여 산화막을 성장시키는 방식으로 형성할 수 있다. 다음에 홀 형상의 상부 트렌치(135) 및 반도체 기판(100) 위에 형성된 게이트 절연막을 식각하여 도 4b 및 도 4c에 도시한 바와 같이, 벌브 형상의 하부 트렌치(140)의 노출면에 스페이스 형태로 형성된 게이트 절연막 패턴(150)을 형성한다. 4A through 4C, the gate
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 비트라인이 형성될 영역을 정의하는 제1 마스크막 패턴(155)을 형성한다. 구체적으로, 반도체 기판(100) 상에 레지스트막을 도포하고, 노광 및 현상 공정을 포함하는 리소그래피(lithography) 공정을 진행하여 반도체 기판(100)을 선택적으로 노출시키는 제1 마스크막 패턴(155)을 형성한다. 제1 마스크막 패턴(155)은 이후 형성될 비트라인이 가로지르는 방향, 예를 들어 반도체 기판(100)의 y축 방향으로 연장하여 라인(line) 형상으로 형성한다. 다음에 제1 마스크막 패턴(155)을 식각마스크로 한 식각 공정을 진행하여 반도체 기판(100) 내에 제1 트렌치(160)를 형성한다. 반도체 기판(100) 내에 형성된 제1 트렌치(160)는 정션영역(130) 가운데, 바닥부에 형성된 제1 정션영역(115)보다 깊게 형성한다. 이러한 제1 트렌치(160)는 반도체 기판(100)의 y축 방향으로 연장하여 라인 형상으로 형성된다. 다음에 제1 마스크막 패턴(155)은 스트립(strip) 공정을 진행하여 제거한다. 이에 따라 도 5b 및 도 5c에 도시한 바와 같이, 제1 트렌치(160)에 의해 벌브 형상의 하부 트렌치(140)가 분리되면서 제1 트렌치(160)의 양 측면에 반구(hemisphere) 형상의 하부 트렌치(140a, 140b)가 형성된다. 5A through 5C, a first
도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 반구 형상의 하부 트렌치(140a, 140b)를 매립하는 게이트 전극(165)을 형성한다. 구체적으로, 제1 트렌치(160)를 반도체층으로 모두 매립한다. 반도체층은 폴리실리콘막으로 형성할 수 있다. 다음에 반도체층 상에 에치백 공정을 진행한다. 그러면 제1 트렌치(160)의 상부 및 하부의 반도체층이 식각되면서 반도체 기판(100) 내부에 형성된 벌브 트렌치(145) 가운데 반구 형상의 하부 트렌치(140a, 140b) 내부에만 반도체층이 남으면서 게이트 전극(165)이 형성된다. 이에 따라 반도체 기판(100)의 x축 방향으로 잘라내어 나타내보인 도 6b를 참조하면, 게이트 전극(165)은 제1 트렌치(160)의 양 측면에 반구 형상으로 형성되고, y축 방향에서 나타내보인 도 6c를 참조하면, 원형으로 형성되는 것을 확인할 수 있다. 6A through 6C,
도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 반도체 기판(100)에 형성된 제1 트렌치(160) 상에 비트라인 도전물질로 일부 매립하여 매립비트라인(buried bit line, 170)을 형성한다. 매립비트라인(170)은 반도체 기판의 y축 방향으로 연장하게 형성된 제1 트렌치(160)를 따라 형성된다. 구체적으로, 제1 트렌치(160)를 비트라인 도전물질로 모두 매립한다. 비트라인 도전물질은 텅스텐(W)을 포함하여 형성할 수 있다. 다음에 매립된 비트라인 도전물질 상에 에치백 공정을 진행한다. 그러면 제1 트렌치(160)의 상부 및 하부의 비트라인 도전물질이 식각되면서 제1 트렌치(160)의 바닥면을 일부 매립하는 매립비트라인(170)이 형성된다. 매립비트라인(170)은 이후 형성될 스토리지노드에서 나온 신호가 매립비트라인(170)을 통해 빠져나가는 드레인(drain) 부분으로 형성된다. 여기서 도 7b 및 도 7c에 도시한 바와 같이, 매립비트라인(170)은 이후 소자 동작시 게이트 전극(165)과 영향을 미치는 것을 방지하게 상기 게이트 전극(165)과 충분한 간격을 갖도록 에치백 공정을 진행하는 것이 바람 직하다. 이러한 매립비트라인(170)을 형성함에 따라 금속물질, 예컨대 텅스텐을 이용한 비트라인이 가능하므로 실리콘을 이용하는 경우보다 비트라인 저항을 감소시킬 수 있다.7A through 7C, buried
도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 제1 트렌치(160)의 나머지 부분을 절연막(175)으로 모두 매립한다. 여기서 절연막(175)은 실리콘옥사이드막(SiO2)으로 형성할 수 있다. 그리고 평탄화 공정, 예를 들어 화학적기계적연마(CMP; Chemical Mechanical Polishing) 공정을 진행하여 절연막(175)을 연마하여 반도체 기판(100)의 표면을 노출시킨다. 절연막(175)은 매립비트라인(170)과 이후 형성될 게이트 라인 사이를 분리하는 역할을 한다. 또한, 절연막(175)이 제1 트렌치(160)의 나머지 부분을 매립하면서 벌브 트렌치(145)는 반구 형상의 하부 트렌치(140a, 140b)로 각각 분리된다. 8A to 8C, all remaining portions of the
도 9a 내지 도 9c를 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 게이트 라인이 형성될 영역을 정의하는 제2 마스크막 패턴(180)을 형성한다. 구체적으로, 반도체 기판(100) 상에 레지스트막을 도포하고, 노광 및 현상 공정을 포함하는 리소그래피 공정을 진행하여 반도체 기판(100)을 선택적으로 노출시키는 제2 마스크막 패턴(180)을 형성한다. 제2 마스크막 패턴(180)은 매립 비트라인(170)과 직교방향, 예를 들어 반도체 기판(100)의 x축 방향으로 연장하여 라인 형상으로 형성한다. 다음에 제2 마스크막 패턴(180)을 식각마스크로 한 식각 공정을 진행하여 반도체 기판(100) 내에 제2 트렌치(185)를 형성한다. 제2 트렌치(185)는 반도체 기판(100)의 y축 방향으로 연장하여 라인 형상으로 형성된다. 여기서 제2 트렌치(185)는 매립비트라인(170) 위에 소정 두께의 절연막(175)이 남는 지점까지만 식각하여 매립비트라인(170)과 이후 형성될 게이트 라인이 연결되는 것을 방지한다. 한편, 반도체 기판(100)의 y축 방향으로 형성된 제2 트렌치(185)에 의해 반구 형상으로 분리된 게이트 전극(165) 또한 y축 방향으로 분리된다. 이에 따라 게이트 전극(165)은 x축 방향 및 y축 방향으로 분리된다. 다음에 제2 마스크막 패턴(180)은 스트립(strip) 공정을 진행하여 제거한다.9A through 9C, a second
도 10a 내지 도 10c를 참조하면, 제2 트렌치(185)를 일부 매립하면서 매립비트라인(170)과 직교 방향으로 뻗어 있는 게이트금속막패턴(190)을 형성한다. 구체적으로, 제2 트렌치(185) 상에 게이트 금속막을 형성하여 모두 매립한다. 게이트 금속막은 텅스텐(W)막으로 형성할 수 있다. 다음에 게이트 금속막 상에 에치백 공정을 진행하여 소정 깊이(d)만큼 식각하여 제2 트렌치(185)를 일부 매립하는 게이트금속막패턴(190)을 형성한다. 이 경우, 도 10b 및 도 10c에 도시한 바와 같이, 게이트금속막패턴(190)의 각 면은 제1 트렌치(160, 도 5b참조) 및 제2 트렌치(185, 도 9c 참조)에 의해 분리된 게이트 전극(165)과 접촉한다. 이에 따라 게이트 전극(165) 및 게이트 전극(165)에 전기신호를 연결할 게이트금속막패턴(190)을 포함하는 워드라인(195)이 형성된다. 즉, 워드라인(195)은 매립비트라인(170)과 직교 방향으로 형성된 게이트금속막패턴(190) 및 반도체 기판(100)의 수직 방향으로 형성된 게이트 전극(165)으로 이루어진다. 10A through 10C, the gate
도 11a 내지 도 11c를 참조하면, 제2 트렌치(185)의 나머지 부분을 층간절연 막(200)으로 모두 매립하고, 평탄화 공정을 진행한다. 층간절연막(200)은 이후 형성될 스토리지노드컨택플러그와 워드라인을 절연시키며, 실리콘옥사이드(SiO2)막으로 형성할 수 있다. 이에 따라 반도체 기판(100) 상에는 4F2 트렌치 타입의 셀 트랜지스터가 형성된다. 다음에 비록 도면에 도시하지 않았지만, 활성영역 위에 랜딩플러그 및 스토리지노드전극을 형성하여 하부에 형성된 매립비트라인 및 워드라인과 상부 전극을 연결한다. 본 발명에 따른 4F2 타입의 셀 트랜지스터를 상부에서 나타내보인 도 12를 참조하면, 셀 트랜지스터의 채널(C)은 게이트금속막패턴(190)의 각 면에 접촉하고 있는 게이트 전극(165)을 따라 형성된다. 11A through 11C, the remaining portion of the
본 발명에 따른 4F2 트랜지스터를 갖는 반도체 소자 및 그 제조방법은, 필라 구조 대신에 파일 구조의 4F2 트랜지스터를 형성함으로써 패턴이 무너지는 문제를 방지할 수 있다. 또한, 매립비트라인 및 필라 구조를 형성하기 위한 공간을 확보하기 위해 비트라인의 공간이 4.8F 이상 요구되는 필라 구조의 4F2 트랜지스터 대신에 활성 영역을 정사각형 구조로 형성함으로써 보다 고밀도화된 칩 사이즈를 확보할 수 있다. 그리고 금속물질을 이용한 비트라인이 가능하므로 실리콘을 이용하는 경우보다 비트라인 저항을 감소시킬 수 있다. 아울러 필라 구조에 비해 채널 길이가 증가하여 소자의 구동속도가 증가하는 장점이 있다. The semiconductor device having the 4F2 transistor and the manufacturing method thereof according to the present invention can prevent the problem of pattern collapse by forming the 4F2 transistor having a pile structure instead of the pillar structure. In addition, instead of the 4F2 transistor having a pillar structure requiring a space of 4.8F or more to secure a space for forming the buried bit line and pillar structure, the active region is formed in a square structure to secure a higher density chip size. Can be. In addition, since the bit line using a metal material is possible, the bit line resistance can be reduced compared to using silicon. In addition, there is an advantage that the driving speed of the device increases by increasing the channel length compared to the pillar structure.
도 1a 내지 도 11c는 본 발명의 실시예에 따른 4F2 트랜지스터를 갖는 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위해 나타내보인 도면들이다.1A to 11C are views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device having a 4F2 transistor according to an embodiment of the present invention.
도 12는 본 발명에 따른 4F2 타입의 셀 트랜지스터를 상부에서 나타내보인 평면도이다. 12 is a plan view showing a 4F2 type cell transistor according to the present invention from above.
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