KR101194742B1 - 반도체 소자의 형성 방법 - Google Patents

반도체 소자의 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 형성 방법에 관한 것으로, 종래의 STI 공정을 이용한 소자분리막 형성 공정 및 소자분리막을 식각 공정하여 핀 형 활성영역을 형성하는 공정은 공정 단계가 복잡하고, 핀 형 활성영역의 면적 및 균일성을 확보하는 것이 어려운 문제를 해결하기 위하여, 실리콘 기판 상부에 소자분리막으로 작용할 수 있는 제 1 산화막층, 질화막 및 제 2 산화막층을 형성한 후, 이들이 활성영역을 정의하도록 패터닝 한 다음 노출된 실리콘 기판에 에피택셜 성장층을 형성한 후 제 2 산화막층을 제거함으로써, 종래의 핀 형 활성영역 형성 공정 보다 더 간단한 공정을 수행하면서도 핀 형 활성영역의 면적 확보 및 균일성을 향상시킬 수 있도록 하는 발명에 관한 것이다.

Description

반도체 소자의 형성 방법{METHOD FOR FORMING SEMICONDUCTOR DEVICE}
도 1은 종래 기술에 따른 반도체 소자의 형성 방법을 도시한 평면도.
도 2a 내지 도 2e는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 형성 방법을 도시한 단면도들.
도 3은 종래 기술에 따른 반도체 소자의 형성 방법을 도시한 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 반도체 소자의 형성 방법을 도시한 평면도.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 반도체 소자의 형성 방법을 도시한 단면도들.
도 6은 본 발명에 따른 비트라인 콘택을 도시한 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 스토리지 노드 콘택을 도시한 단면도.
본 발명은 반도체 소자의 형성 방법에 관한 것으로, 종래의 STI 공정을 이용한 소자분리막 형성 공정 및 소자분리막을 식각 공정하여 핀 형 활성영역을 형성하는 공정은 공정 단계가 복잡하고, 핀 형 활성영역의 면적 및 균일성을 확보하는 것이 어려운 문제를 해결하기 위하여, 실리콘 기판 상부에 소자분리막으로 작용할 수 있는 제 1 산화막층, 질화막 및 제 2 산화막층을 형성한 후, 이들이 활성영역을 정의하도록 패터닝 한 다음 노출된 실리콘 기판에 에피택셜 성장층을 형성한 후 제 2 산화막층을 제거함으로써, 종래의 핀 형 활성영역 형성 공정 보다 더 간단한 공정을 수행하면서도 핀 형 활성영역의 면적 확보 및 균일성을 향상시킬 수 있도록 하는 발명에 관한 것이다.
반도체 소자가 고집적화됨에 따라 활성영역 및 소자분리막을 형성하는 공정마진이 감소하게 되었다. 또한, 게이트의 선폭이 좁아지면서 채널 길이의 감소로 반도체 소자의 전기적 특성이 저하되고 숏 채널 효과(Short Channel Effect)가 발생하였다. 이를 극복하기 위하여 핀 형 게이트(Fin Type Gate)와 같은 구조의 트랜지스터가 개발되었다. 핀 형 게이트는 활성영역과 게이트 사이의 접촉면적을 증가시켜 게이트의 구동 능력을 증가시키고 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 기술이다.
도 1은 종래 기술에 따른 반도체 소자의 형성 방법을 도시한 평면도이다.
도 1을 참조하면, 실리콘 기판(10) 상부에 바(Bar) 형태의 활성영역(50)을 정의하는 소자분리막(60)을 형성하고, 그 상부에 게이트(90)를 형성한다. 이때, 활성영역(50)과 게이트(90)의 접촉 면적을 증가시키기 위하여 게이트(90) 하부의 소자분리막(60)을 소정 깊이 식각하여 게이트(90) 하부의 활성영역(50)이 핀 형 모양이 되도록 한다.
도 2a 내지 도 2e는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 형성 방법을 도시한 단면도들로, 도1의 BB' 단면을 따라 도시한 것들이다.
도 2a를 참조하면, 실리콘 기판(10) 상부에 패드 산화막 및 패드 질화막을 형성한 후 활성영역을 차단하는 감광막 패턴(40)을 이용한 식각 공정으로 패드 산화막 패턴(20) 및 패드 질화막 패턴(30)을 형성한다.
도 2b를 참조하면, 감광막 패턴(40)을 제거한 후 패드 질화막 패턴(30)을 마스크로 실리콘 기판(10)을 소정 깊이 식각하여 소자분리용 트렌치를 형성한다. 다음에는, HDP(High Density Plasma) 공정을 이용하여 산화막으로 소자분리용 트렌치를 매립하여 소자분리막(60)을 형성한다. 여기서, 소자분리막(60)에 의해 정의되는 실리콘 기판(10)은 활성영역(50)이 된다.
도 2c를 참조하면, 패드 질화막 패턴(30) 및 패드 산화막 패턴(20)을 제거한다. 이때, 핫 인산을 이용하여 패드 질화막 패턴(30)을 제거하는데, 이 과정에서 활성영역(50)의 계면이 유실되는 문제가 발생할 수 있다.
도 2d를 참조하면, 핀 형 활성영역(50)을 형성하기 위하여 게이트 예정 영역의 소자분리막(60)을 소정 깊이 식각한다. 이때, 모든 영역의 소자분리막(60)을 균일한 깊이로 식각하는 공정은 매우 어렵기 때문에 핀 형 활성영역(50)은 균일하게 형성되지 못하는 문제가 있다.
도 2e를 참조하면, 핀 형 활성영역(50)의 상부에 게이트 산화막(70), 게이트 폴리실리콘층(75), 게이트 금속층(80) 및 게이트 하드마스크층(85)으로 구비되는 게이트(90)를 형성한다.
도 3은 종래 기술에 따른 반도체 소자의 형성 방법을 도시한 단면도로, 도 1의 AA' 방향을 따라 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 소자분리막(60) 보다 소정 높이 돌출된 활성영역(50) 상부 에 게이트(90)가 형성되며, 게이트(90)의 측벽에 게이트 스페이서(95)가 형성되고, 게이트(90) 사이의 활성영역(50)에 소스/드레인 영역(97)이 형성된다. 이때, 핀 형 활성영역(50)의 에지부가 유실되어 있으므로 후속의 비트라인 콘택 및 스토리지 노드 콘택과 접속되는 활성영역의 면적이 감소하게 된다.
상술한 바와 같이, 종래 기술에 따른 반도체 소자의 형성 방법은 STI 공정을 이용하여 소자분리막 및 활성영역을 형성하는데, 이 과정에서 패드 산화막 및 패드 질화막을 이용하므로 공정이 복잡해지고 패드 질화막의 제거 과정에서 활성영역이 유실될 위험이 있다. 활성영역 유실은 후속의 비트라인 콘택 및 스토리지 노드 콘택의 접속 면적을 감소시키고, 콘택 면적의 감소는 콘택 저항의 증가 및 반도체 소자의 전기적 특성을 저하시키는 원인이 된다. 또한, 종래 기술은 활성영역을 핀 형으로 형성하기 위하여 소자분리막을 식각하는 방법을 사용하는데 이때, 핀 형 활성영역의 높이를 균일하게 조절하는 것이 매우 어려우므로 핀 형 활성영역의 균일도가 저하되어 반도체 소자의 전기적 특성이 저하되는 문제가 있다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 실리콘 기판 상부에 소자분리막으로 작용할 수 있는 제 1 산화막층, 질화막 및 제 2 산화막층을 형성한 후, 이들이 활성영역을 정의하도록 패터닝 한 다음 노출된 실리콘 기판에 에피택셜 성장층을 형성한 후 제 2 산화막층을 제거함으로써, 종래의 핀 형 활성영역 형성 공정 보다 더 간단한 공정을 수행하면서도 핀 형 활성영역의 면적 확보 및 균일성을 향상시킬 수 있도록 하는 반도체 소자의 형성 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
이상의 목적을 달성하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 반도체 소자의 형성 방법은
실리콘 기판 전면에 제 1 산화막층, 질화막 및 제 2 산화막층을 순차적으로 형성하는 단계와,
상기 제 2 산화막층 상부에 활성영역을 노출시키는 감광막 패턴을 형성하는 단계와,
상기 감광막 패턴을 마스크로 상기 제 2 산화막층, 질화막 및 제 1 산화막층을 식각하여 실리콘 기판을 노출시키는 단계와,
상기 노출된 실리콘 기판에 실리콘 에피택셜 성장층을 형성하는 단계와,
상기 감광막 패턴 및 제 2 산화막층을 제거하고 상기 에피택셜 성장층에 핀(Fin) 형 활성영역을 형성하는 단계 및
상기 핀 형 활성영역을 포함하는 게이트를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제 1 산화막층은 1500 ~ 2000Å의 두께로 형성하고, 상기 질화막은 400 ~ 600Å의 두께로 형성하고, 상기 제 2 산화막층은 400 ~ 600Å의 두께로 형성하고, 상기 에피택셜 성장층은 상기 제 2 산화막층의 높이까지 형성하고, 상기 제 2 산화막층은 습식식각 방법으로 제거하고, 상기 게이트 형성 후 상기 게이트 사이의 영역에 LDD(Lightly Dopant Drain) 영역의 이온 주입 공정, 게이트 측벽 절연막 형성, 소스/드레인 영역의 이온 주입 공정 및 소스/드레인 영역과 접속되는 스토리지 노드 콘택 및 비트라인 콘택 형성 공정을 순차적으로 수행하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 반도체 소자의 형성 방법에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 반도체 소자의 형성 방법을 도시한 평면도이다.
도 4를 참조하면, 실리콘 기판(100) 상부에 실리콘 에피택셜 성장층으로 핀(Fin) 형 활성영역(120)을 형성한다. 여기서, 핀 형 구조의 활성영역(120)은 소자분리영역에 제 1 산화막층(미도시), 질화막(140) 및 제 2 산화막층(미도시)의 적층 구조를 형성한 후 활성영역의 실리콘 기판을 에피택셜 성장시킨 후 제 2 산화막층을 제거하여 형성한다. 다음에는, 핀 형 활성영역(120)의 길이 방향에 대하여 수직한 방향으로 게이트(190)를 형성한다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 반도체 소자의 형성 방법을 도시한 단면도들로, 각 도의 (i)은 도 4의 AA' 방향을 따라 도시한 것이고, 각 도의 (ii)는 도 4의 BB' 방향을 따라 도시한 것이다.
도 5a를 참조하면, 실리콘 기판(100) 전면에 제 1 산화막층(130), 질화막(140) 및 제 2 산화막층(150)을 순차적으로 형성한다. 다음에는, 제 2 산화막층(150) 상부에 활성영역을 노출시키는 감광막 패턴(160)을 형성한다. 이때, 제 1 산화막층(130)은 1500 ~ 2000Å의 두께로 형성하고, 질화막(140)은 400 ~ 600Å의 두께로 형성하고, 제 2 산화막층(150)은 400 ~ 600Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 그 다음에는, 감광막 패턴(160)을 마스크로 제 2 산화막층(150), 질화 막(140) 및 제 1 산화막층(130)을 순차적으로 식각하여 실리콘 기판(100)을 노출시킨다. 그 다음에는, 실리콘 기판(100)이 노출된 영역에 실리콘 에피택셜 성장층을 형성한다. 이때, 실리콘 에피택셜 성장층은 제 2 산화막층(150)의 높이까지 형성하는 것이 바람직하며, 실리콘 에피택셜 성장층은 활성영역(120)이 되고, 제 1 산화막층(130), 질화막(140) 및 제 2 산화막층(150)은 소자분리막이 되는데, 활성영역(120)은 에피택셜 성장 방법으로 형성되므로 종래의 STI 공정을 이용하여 형성하는 것 보다 더 넓은 유효 면적을 확보할 수 있다.
도 5b를 참조하면, 감광막 패턴(160) 및 제 2 산화막층(150)을 제거한다. 이때, 제 2 산화막층(150)은 습식식각 방법을 이용하여 제거하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 활성영역(120)이 표면으로부터 'H' 높이만큼 돌출된 형태로 형성되므로 핀(Fin) 형의 활성영역(120)이 된다. 여기서, 'H' 높이는 제 2 산화막층(150)이 제거된 높이로 400 ~ 600Å이 되며 (i) 및 (ii)에서 보는 바와 같이 어느 지역에서나 동일한 높이를 얻을 수 있다.
도 5c를 참조하면, 핀 형 활성영역(120)을 포함하는 실리콘 기판(100) 전면에 게이트 산화막(170), 게이트 폴리실리콘층(175), 게이트 금속층(180) 및 하드마스크층(185)을 형성한 후 게이트 마스크를 이용한 식각 공정으로 하드마스크층(185), 게이트 금속층(180), 게이트 폴리실리콘층(175) 및 게이트 산화막(170)을 순차적으로 식각하여 게이트(190)를 형성한다. 다음에는, 게이트(190) 사이의 활성영역(120)에 LDD(Lightly Dopant Drain) 영역(미도시) 형성을 위한 이온 주입 공정을 수행하고, 게이트(190)의 측벽에 스페이서 절연막(195)을 형성하고, 활성영 역(120)에 소스/드레인 영역(200) 형성을 위한 이온 주입 공정을 수행한다. 다음에는, 소스/드레인 영역(200)과 접속되는 스토리지 노드 콘택(미도시) 및 비트라인 콘택(미도시) 형성 공정을 순차적으로 수행한다.
도 6은 본 발명에 따른 비트라인 콘택을 도시한 단면도로, 도 4의 B1B1' 방향을 따른 단면을 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 실리콘 기판(100) 상부에 제 1 산화막층 및 질화막의 적층 구조로 구비되는 소자분리막이 구비되고, 소자분리막 사이의 영역에 핀 형의 활성영역(120)이 구비되고, 활성영역(120)에 소스/드레인 영역(200)이 구비되며, 소스/드레인 영역(200)과 접속되는 비트라인 콘택(210)이 구비된다. 여기서, 활성영역(120)은 도 5a에서 설명한 바와 같이 실리콘 에피택셜 성장 방법을 이용하여 형성된 것이므로 더 넓은 면적이 확보되어 비트라인 콘택(210)과 접속되는 면적도 증가하게 된다.
도 7은 본 발명에 따른 스토리지 노드 콘택을 도시한 단면도로, 도 4의 B2B2' 방향을 따른 단면을 도시한 것이다.
도 7을 참조하면, 도 6의 비트라인 콘택(210)과 마찬가지로 더 안정되고 넓은 면적을 확보할 수 있는 스토리지 노드 콘택(220)이 구비된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 소자의 형성 방법은 STI 공정을 이용한 소자분리막 형성 공정을 수행하지 않고, 실리콘 기판 상부에 소자분리막으로 작용할 수 있는 제 1 산화막층, 질화막 및 제 2 산화막층을 형성한 후, 이들이 활성영역을 정의하도록 패터닝 한 다음 노출된 실리콘 기판에 에피택셜 성장층을 형성하고, 제 2 산화막층을 제거함으로써, 종래의 핀 형 활성영역 형성 공정 보다 더 간단한 공정을 수행하면서도 더 넓은 면적을 갖는 핀 형 활성영역을 형성하며, 제 2 산화막층을 제거하는 공정만으로 핀 부분의 높이가 어디에서나 동일하게 형성 할 수 있다. 여기서, 활성영역의 면적을 확보하는 것은 후속 공정에서 형성되는 비트라인 콘택 및 스토리지 노드 콘택의 접속 면적을 확대시켜 반도체 소자의 전기적 특성을 향상시키는 작용을 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 소자의 형성 방법은 실리콘 기판 상부에 소자분리막으로 작용할 수 있는 제 1 산화막층, 질화막 및 제 2 산화막층을 형성한 후, 이들이 활성영역을 정의하도록 패터닝 한 다음 노출된 실리콘 기판에 에피택셜 성장층을 형성함으로써, 종래의 소자분리용 트렌치 형성 및 패드 질화막 공정을 생략할 수 있고, 더 넓은 활성영역을 확보할 수 있다. 또한, 제 2 산화막층을 제거함으로써, 종래의 핀 형 활성영역 형성 공정 보다 더 간단한 공정을 수행하면서도 핀 형 활성영역의 높이를 균일하게 형성할 수 있다. 따라서 본 발명은 반도체 소자의 형성 공정을 간소화 하고, 반도체 소자의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.
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.

Claims (7)

  1. 실리콘 기판 전면에 제 1 산화막층, 질화막 및 제 2 산화막층을 순차적으로 형성하는 단계;
    상기 제 2 산화막층 상부에 활성영역을 노출시키는 감광막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 감광막 패턴을 마스크로 상기 제 2 산화막층, 질화막 및 제 1 산화막층을 식각하여 실리콘 기판을 노출시키는 단계;
    상기 노출된 실리콘 기판에 실리콘 에피택셜 성장층을 형성하는 단계;
    상기 감광막 패턴 및 상기 실리콘 에피택셜 성장층의 주변의 제 2 산화막층을 제거하고 상기 에피택셜 성장층에 핀(Fin) 형 활성영역을 형성하는 단계; 및
    상기 핀 형 활성영역을 포함하는 게이트를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 형성 방법.
  2. 청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 산화막층은 1500 ~ 2000Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 형성 방법.
  3. 청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1 항에 있어서,
    상기 질화막은 400 ~ 600Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 형성 방법.
  4. 청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 산화막층은 400 ~ 600Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 형성 방법.
  5. 청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1 항에 있어서,
    상기 에피택셜 성장층은 상기 제 2 산화막층의 높이까지 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 형성 방법.
  6. 청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 산화막층은 습식식각 방법으로 제거하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 형성 방법.
  7. 청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1 항에 있어서,
    상기 게이트 형성 후 상기 게이트 사이의 영역에 LDD(Lightly Dopant Drain) 영역의 이온 주입 공정, 게이트 측벽 절연막 형성, 소스/드레인 영역의 이온 주입 공정 및 소스/드레인 영역과 접속되는 스토리지 노드 콘택 및 비트라인 콘택 형성 공정을 순차적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 형성 방법.
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