KR20060124904A - Method for manufacturing a fin field effect transistor - Google Patents
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Abstract
Description
도 1 내지 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 핀 전계효과 트랜지스터의 제조방법을 도시한 공정단면도.1 to 6 are process cross-sectional views showing a method for manufacturing a fin field effect transistor according to a preferred embodiment of the present invention.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉<Explanation of symbols for main parts of drawing>
10 : 벌크 기판 11 : 패드 산화막10
12 : 패드 질화막 13 : 제1 트렌치12
14 : 제2 트렌치 15 : 핀(fin)14: second trench 15: fin
16 : 질화막 17 : 전면식각공정16: nitride film 17: front etching process
18 : 열산화공정 19 : 열산화막18: thermal oxidation process 19: thermal oxide film
본 발명은 핀 전계효과 트랜지스터의 제조방법에 관한 것으로, 특히 20 내지 30 나노미터(nm)급 핀 전계효과 트랜지스터(FinFET; Fin-Field Effect Transistor)의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a fin field effect transistor, and more particularly to a method for manufacturing a fin field effect transistor (FinFET) of 20 to 30 nanometers (nm) class.
일반적으로 모스펫(MOSFET), 즉 금속-산화막-반도체 전계효과 트랜지스터는 고성능화와 고집적화의 일환으로 소자 크기의 축소화가 종래부터 진행되어오고 있다. 특히, 50 나노미터(nm) 이하의 극소 채널을 가지는 차세대 트랜지스터를 구현하기 위해서는 드레인 전압에 의해 채널의 전위가 영향을 받는 단채널 효과(short channel effect)를 효과적으로 억제하는 것이 필수적이다.In general, MOSFETs, that is, metal-oxide-semiconductor field effect transistors, have been conventionally reduced in device size as part of high performance and high integration. In particular, in order to implement a next-generation transistor having a microchannel of 50 nm or less, it is essential to effectively suppress a short channel effect in which the potential of the channel is affected by the drain voltage.
이에 따라, 최근에는 전계효과 트랜지스터(FET : Field Effect Transistor)의 게이트 전극 길이를 20 내지 30 나노미터 정도까지 축소하기 위해서 많은 연구가 진행되어 오고 있다. 그러나, 현재까지 발표된 연구 결과로는 상용 제품에 적용될 수준의 특성을 얻지는 못하고 있다. 이는 극히 짧아진 소오스 영역과 드레인 영역간의 거리에 의해 야기되는 단채널 효과를 효과적으로 억제하기 곤란한데서 연유한다.Accordingly, in recent years, much research has been conducted to reduce the gate electrode length of a field effect transistor (FET) to about 20 to 30 nanometers. However, the results of the research published so far do not achieve the level of characteristics applicable to commercial products. This is because it is difficult to effectively suppress the short channel effect caused by the distance between the extremely short source and drain regions.
따라서, 기존의 평면구조의 소자를 그대로 적용하는 것은 안정된 소자의 동작을 획득하는데 어려움이 있다. 이에, 기존의 평면구조를 대신하여 얇은 채널 양편에 게이트를 두어 채널 쪽의 전위를 효과적으로 조절할 수 있는 이중 게이트 전계효과 트랜지스터가 가장 유력한 차세대 소자의 후보로서 연구되고 있다. 이러한 노력의 일환의 하나가 바로 핀 전계효과 트랜지스터(FIN-FET)이다. 핀 전계효과 트랜지스터는 기존의 평면구조의 반도체 기술과 높은 호환성을 가지는 장점이 있다.Therefore, it is difficult to obtain an operation of a stable device to apply the device of the existing planar structure as it is. Accordingly, a double gate field effect transistor capable of effectively controlling the potential at the channel side by gates on both sides of the thin channel instead of the conventional planar structure has been studied as a candidate for the next most likely device. One such effort is the fin field effect transistor (FIN-FET). The fin field effect transistor has an advantage of having high compatibility with a conventional planar semiconductor technology.
일반적으로, 벌크 기판 상에 형성된 핀 전계효과 트랜지스터는 트랜지스터가 동작하지 않을때 드레인(또는, 소스)에서 기판으로 전자가 방출되는 현상이 발생한다. 따라서, 전력 소모가 클 뿐 아니라 동작속도가 느려지는 문제점이 있다. In general, a fin field effect transistor formed on a bulk substrate generates electrons from a drain (or source) to the substrate when the transistor is inoperative. Therefore, there is a problem that not only the power consumption is large but also the operation speed is slow.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 종래에는 기판과 트랜지스터 간의 절연을 제공하는 SOI(Silicon On Insulator) 기판 상에 핀 전계효과 트랜지스터를 형성하였다.In order to solve this problem, a fin field effect transistor is conventionally formed on a silicon on insulator (SOI) substrate that provides insulation between the substrate and the transistor.
그러나, SOI 기판 상에 반도체 소자를 형성하는 경우에는 여러가지 단점이 있다. 먼저, SOI 기판은 벌크 기판에 비해 3배 정도 비싼 단점이 있고, SOI 소자에서 문제가 되는 부유기판 효과와 기판으로의 열 방출문제 등이 있다. 또한, SOI 기판은 벌크 기판에 비해 결함 밀도가 높기 때문에 수율 등의 문제로 인하여 고집적을 요구하는 메모리 기술에는 부적합하다는 단점이 있다.However, there are various disadvantages when forming a semiconductor device on an SOI substrate. First, the SOI substrate has the disadvantage of being about three times more expensive than the bulk substrate, and the floating substrate effect that is a problem in the SOI device and the heat emission to the substrate. In addition, since the SOI substrate has a higher defect density than the bulk substrate, the SOI substrate has a disadvantage of being unsuitable for a memory technology requiring high integration due to problems such as yield.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 고가의 SOI 기판을 사용하지 않고도 기판과 분리될 수 있는 핀 전계효과 트랜지스터의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a fin field effect transistor that can be separated from a substrate without using an expensive SOI substrate.
상기에서 설명한 목적을 달성하기 위한 일측면에 따른 본 발명은, 벌크 기판 상에 패드 산화막 및 패드 질화막을 형성하는 단계와, 상기 패드 질화막, 상기 패드 산화막 및 상기 기판을 식각하여 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 트렌치 형성 으로 인해 돌출된 상기 기판을 식각하여 핀(fin)을 형성하는 단계와, 상기 트렌치의 내측벽에 열산화공정시 산화되지 않는 절연막을 형성하는 단계와, 상기 핀과 상기 기판이 분리되도록 상기 트렌치 저부의 상기 기판 및 상기 핀 저부의 상기 기판에 열산화막을 형성하는 단계와, 상기 트렌치가 매립되도록 상기 핀을 덮는 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하는 핀 전계효과 트랜지스터의 제조방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, a pad oxide film and a pad nitride film are formed on a bulk substrate, and the trench is formed by etching the pad nitride film, the pad oxide film, and the substrate. Forming a fin by etching the substrate protruding due to the trench formation, forming an insulating layer that is not oxidized during a thermal oxidation process on an inner wall of the trench, and separating the fin and the substrate. Forming a thermal oxide film on the substrate of the trench bottom and the substrate of the bottom of the fin, and forming a gate electrode covering the fin so that the trench is buried. do.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. do.
실시예Example
도 1 내지 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 핀 전계효과 트랜지스터의 제조방법을 도시한 공정단면도이다. 여기서, 도 1 내지 도 6에 도시된 참조부호들 중 서로 동일한 참조부호는 동일한 기능을 수행하는 동일 요소이다. 1 to 6 are process cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a fin field effect transistor according to a preferred embodiment of the present invention. Here, the same reference numerals among the reference numerals shown in FIGS. 1 to 6 are the same elements performing the same function.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 소자분리막이 형성될 소자분리 영역(이하, 제1 영역이라 함; A)과 핀 전계효과 트랜지스터가 형성될 핀영역(이하, 제2 영역이라 함; B)으로 정의된 벌크 기판(10)을 제공한다.First, as shown in FIG. 1, an isolation region in which an isolation layer is to be formed (hereinafter referred to as a first region; A) and a fin region in which a fin field effect transistor is to be formed (hereinafter referred to as a second region; B) It provides a
이어서, 기판(10) 상에 패드 산화막(11)을 형성한다. 이때, 패드 산화막(11)은 산화공정 또는 증착공정을 통해 형성할 수 있다. 여기서, 산화공정은 수증기와 같은 산화기체 내에서 기판을 대략 900 내지 1000℃의 온도에서 가열하는 습식산화방식으로 실시하거나, 순수한 산소를 산화기체로 사용하여 약 1200℃의 온도에서 가열하는 건식산화방식으로 실시한다.Subsequently, a
이어서, 패드 산화막(11) 상에 패드 질화막(12)을 증착한다. 예컨대, 패드 질화막(12)은 플라즈마 화학기상증착법(PECVD : Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 또는 저압화학기상증착(LPCVD: Low Pressuer CVD) 방식을 통해 증착한다.Subsequently, a
이어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 패드 질화막(12), 패드 산화막(11) 및 기판(10)을 식각하여 제1 영역(A)에 제1 트렌치(13)를 형성하고, 제2영역(B)에는 제1 트렌치(13)보다 넓은 폭을 갖는 제2 트렌치(14)를 형성하여 제2 영역(B)에 핀(15)을 형성한다. 예컨대, 핀(15)을 형성하는 방법은 다음과 같다. Subsequently, as illustrated in FIG. 2, the
먼저, 패드 질화막(12) 상에 포토레지스트(미도시)를 도포한 후, 포토마스크(미도시)를 이용한 노광 및 현상공정을 실시하여 소정의 제1 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성한다. 그리고, 제1 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 이용한 식각공정을 실시하여 제1 및 제2 영역(A, B)에 제1 트렌치(13)를 각각 형성한다. 이어서, 제1 트렌치(13)로 인해 돌출된 제2 영역(B)의 기판(10)을 식각하여 제2 트렌치(14)를 형성한다. 이로써, 제2 영역(B)에 핀(15)이 형성된다.First, a photoresist (not shown) is coated on the
이어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 트렌치(13, 14; 도 2 참조)가 형성된 전체 구조 상부의 단차를 따라 질화막(16)을 증착한다. 질화막(16)은 후속으로 진행될 열산화공정시 핀(15)의 양측벽이 산화되는 것을 방지하기 위하여 증착된다.Next, as shown in FIG. 3, the
이어서, 도 4에 도시된 바와 같이, 전면식각공정(17, etch-back)을 실시하여 패드 질화막(12)의 상부로 노출된 질화막(16)을 식각하면서, 제1 및 제2 트렌치(13, 14; 도 2 참조) 저부의 기판(10)까지 식각한다. 이로써, 제1 및 제2 트렌치(13, 14)의 내측벽에 각각 질화막(16)이 형성된다.Subsequently, as illustrated in FIG. 4, the first and
이어서, 도 5에 도시된 바와 같이, 열산화공정(18)을 실시하여 제1 및 제2 트렌치(13, 14; 도 2 참조) 저부에 노출된 기판(10) 및 핀(15) 저부의 기판(10)에 열산화막(19)을 형성한다. 이때, 핀(15)의 양측벽 및 상부에는 질화막(15) 및 패드 질화막(12)이 잔류하므로 열산화공정(18)시에 핀(15)의 양측벽 및 상부가 산화되는 것이 방지된다. 따라서, 핀(15) 저부의 기판(10)에만 열산화막(19)이 형성된다.Subsequently, as shown in FIG. 5, the
이어서, 도 6에 도시된 바와 같이, 습식식각공정을 실시하여 잔류하는 질화막(16), 패드 질화막(12) 및 패드 산화막(11)을 식각한다. 이로써, 열산화막(19) 상의 핀(15)이 그대로 노출된다.Next, as shown in FIG. 6, the wet etching process is performed to etch the
이어서, 도면에 도시되지는 않았으나, 제1 트렌치(13, 도 2 참조)가 매립되는 소자분리막을 형성하고, 제2 트렌치(14, 도 2 참조)가 매립되도록 핀(15)을 덮는 게이트 전극을 형성한다.Subsequently, although not shown in the drawing, a gate electrode covering the
이어서, 소스/드레인 이온주입 공정을 실시하여 게이트 전극의 양측으로 노출된 핀(15)에 소스/드레인을 형성한다. 이로써, 벌크 기판(10) 상에 핀 전계효과 트랜지스터가 완성된다.Next, a source / drain ion implantation process is performed to form source / drain in the
즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 핀이 형성된 벌크 기판에 열산화공정을 실시하여 핀 저부의 기판에만 열산화막을 형성함으로써, 열산화막을 통해 기판과 핀 전계효과 트랜지스터가 분리된다. 따라서, 고가의 SOI 기판을 사용하지 않 고 저가의 벌크 기판을 사용하여 기판과 핀 전계효과 트랜지스터를 서로 분리시킬 수 있게 된다. 이는, 반도체 소자의 제조비용을 감소시킬 뿐만 아니라 SOI 기판을 사용함에 따라 발생하는 여러가지 문제점을 해결할 수 있다.That is, according to a preferred embodiment of the present invention, by performing a thermal oxidation process on the bulk substrate on which the fin is formed to form a thermal oxide film only on the substrate of the bottom of the fin, the substrate and the fin field effect transistor are separated through the thermal oxide film. Therefore, it is possible to separate the substrate and the fin field effect transistor from each other by using an inexpensive bulk substrate without using an expensive SOI substrate. This not only reduces the manufacturing cost of the semiconductor device but also solves various problems caused by using the SOI substrate.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 핀이 형성된 벌크 기판에 열산화공정을 실시하여 핀 저부의 기판에만 열산화막을 형성함으로써, 열산화막을 통해 기판과 핀 전계효과 트랜지스터가 분리된다. 따라서, 고가의 SOI 기판을 사용하지 않고 저가의 벌크 기판을 사용하여 기판과 핀 전계효과 트랜지스터를 서로 분리시킬 수 있게 된다. 이는, 반도체 소자의 제조비용을 감소시킬 뿐만 아니라 SOI 기판을 사용함에 따라 발생하는 여러가지 문제점을 해결할 수 있다.As described above, according to the present invention, by performing a thermal oxidation process on a bulk substrate on which fins are formed to form a thermal oxide film only on the substrate of the bottom of the fin, the substrate and the fin field effect transistor are separated through the thermal oxide film. Therefore, it is possible to separate the substrate and the fin field effect transistor from each other by using an inexpensive bulk substrate without using an expensive SOI substrate. This not only reduces the manufacturing cost of the semiconductor device but also solves various problems caused by using the SOI substrate.
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