KR20070047069A - Semiconductor memory device having vertical transistor and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
공정마진을 개선시킨 수직 트랜지스터를 구비한 반도체 메모리 소자 및 그 제조방법을 개시한다. 반도체 메모리소자의 제조방법은 먼저, 반도체 기판상에 패드 산화막과 제1방향으로 연장되는 하드 마스크 패턴을 형성한다. 상기 하드 마스크 패턴을 이용하여 필라 구조물을 형성한다. 상기 필라구조물은 상기 반도체 기판에 상기 제1방향으로 서로 이격되어 상기 반도체 기판상에 배열되고 그의 내부에 제1불순물영역이 형성된 바디와, 상기 바디상에 상기 제1방향과 교차하는 제2방향으로 서로 이격되어 배열되는 다수의 필라를 구비한다. 이어서, 상기 필라의 측면을 둘러싸는 게이트 절연막 및 게이트 전극을 형성한다. 상기 바디 상부에 제1방향으로 배열되어, 상기 게이트전극의 측면과 콘택되는 워드라인을 형성한다. 상기 필라의 상부 표면에 제2불순물 영역을 형성한다. 상기 제2불순물 영역과 전기적으로 연결되며, 상기 필라상부에 배치되는 스토리지 노드전극을 형성한다.A semiconductor memory device having a vertical transistor with improved process margin and a method of manufacturing the same are disclosed. In the method of manufacturing a semiconductor memory device, first, a pad oxide film and a hard mask pattern extending in a first direction are formed on a semiconductor substrate. The pillar structure is formed using the hard mask pattern. The pillar structures are spaced apart from each other in the first direction on the semiconductor substrate and are arranged on the semiconductor substrate and have a first impurity region formed therein, and in the second direction crossing the first direction on the body. A plurality of pillars are arranged spaced apart from each other. Subsequently, a gate insulating film and a gate electrode surrounding side surfaces of the pillar are formed. It is arranged in a first direction on the body to form a word line in contact with the side of the gate electrode. A second impurity region is formed on the upper surface of the pillar. The storage node electrode is electrically connected to the second impurity region and is formed on the pillar.
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수직 채널 트랜지스터를 갖는 반도체 메모리장치의 평면도이다.1 is a plan view of a semiconductor memory device having a vertical channel transistor according to an embodiment of the present invention.
도 2a 내지 도 2o은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 채널 트랜지스터를 갖는 반도체 메모리장치의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.2A through 2O are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor memory device having a vertical channel transistor according to an embodiment of the present invention.
도 3a 내지 도 3m은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 채널 트랜지스터를 갖는 반도체 메모리장치의 제조방법을 설명하기 위한 사시도이다.3A to 3M are perspective views illustrating a method of manufacturing a semiconductor memory device having a vertical channel transistor according to an embodiment of the present invention.
도 4a 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직 채널 트랜지스터를 갖는 반도체 메모리장치의 단면도이다.4A is a cross-sectional view of a semiconductor memory device having a vertical channel transistor according to another embodiment of the present invention.
도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직 채널 트랜지스터를 갖는 반도체 메모리장치의 사시도이다.4B is a perspective view of a semiconductor memory device having a vertical channel transistor according to another embodiment of the present invention.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수직 채널 트랜지스터를 갖는 반도체 메모리장치의 사시도이다.5A through 5F are perspective views of a semiconductor memory device having a vertical channel transistor according to another exemplary embodiment of the present invention.
도 6a 내지 도 6f는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수직 채널 트랜지스터를 갖는 반도체 메모리장치의 사시도이다.6A through 6F are perspective views of a semiconductor memory device having a vertical channel transistor according to another exemplary embodiment of the present invention.
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 공정마진이 개선된 수직 트랜지스터를 구비한 반도체 메모리소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a semiconductor memory device having a vertical transistor with improved process margin and a method of manufacturing the same.
단위평면 면적당 많은 양의 소자를 집적시키기 위하여 디자인 룰을 감소시켜야 한다. 디자인 룰이 감소하게 되면 소자의 길이 및 넓이가 감소하게 되고, 이에 따라 소자의 전류구동능력이 저하되고 숏채널효과로 인하여 소자의 능동 스위치 특성이 열화되게 된다. 높은 전류구동능력을 가지면서 드레인 유기 장벽 저하(DIBL, drain induced barrier lowering), 펀치 스루(punch through) 등에 기인하는 누설전류가 작은 수직 채널 트랜지스터가 제안되었다. 종래의 수직 채널을 갖는 반도체 소자의 경우, 먼저 필라를 형성한 다음 필라의 측벽에 게이트를 형성하고, 비트라인 실리콘 식각공정을 통해 비트라인을 형성하였다. 그러므로, 이웃하는 워드라인간의 간격이 좁아 공정마진을 확보하기 어려우며, 집적도 향상에 제약이 따르게 된다.The design rule has to be reduced in order to integrate a large amount of devices per unit plane area. If the design rule is reduced, the length and width of the device are reduced, thereby degrading the current driving capability of the device and degrading active switch characteristics of the device due to the short channel effect. A vertical channel transistor having high current driving capability and small leakage current due to drain induced barrier lowering (DIBL), punch through, etc. has been proposed. In the case of a conventional semiconductor device having a vertical channel, a pillar is first formed, a gate is formed on the sidewall of the pillar, and a bit line is formed through a bit line silicon etching process. Therefore, it is difficult to secure a process margin due to the narrow spacing between neighboring word lines, and there is a limitation in improving the degree of integration.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 공정마진을 개선할 수 있는 수직 트랜지스터를 구비한 반도체 메모리 소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor memory device having a vertical transistor and a method of manufacturing the same which can improve process margins.
상기한 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 반도체 메모리소자는 반도체 기판을 구비한다. 상기 반도체 기판은 제1방향으로 서로 이격되어 상기 반도체 기판상에 배열되는 바디와, 상기 바디상에 상기 제1방향과 교차하는 제2방향으로 서로 이격되어 배열되는 다수의 필라를 구비하되, 상기 제1방향에서 상기 필라의 폭은 상기 바디의 폭보다 작은 다수의 필라 구조물을 구비한다. 상기 필라 구조물의 상기 바디내에 제1불순물영역이 형성되어 상기 제2방향으로 연속된다. 상기 필라의 상부 표면에는 제2불순물영역이 형성된다. 상기 필라의 측면을 둘러싸도록 상기 바디상에 게이트 절연막과 게이트전극이 형성된다. 워드라인이 상기 바디 상부에 제1방향으로 배열되어, 상기 게이트전극의 측면과 전기적으로 콘택된다. 스토리지 노드가 상기 필라상부에 배치되어 상기 제2불순물 영역과 전기적으로 연결된다.In order to achieve the above technical problem, the semiconductor memory device of the present invention includes a semiconductor substrate. The semiconductor substrate may include a body spaced apart from each other in a first direction and arranged on the semiconductor substrate, and a plurality of pillars spaced apart from each other in a second direction crossing the first direction on the body. The width of the pillar in one direction includes a plurality of pillar structures smaller than the width of the body. A first impurity region is formed in the body of the pillar structure and continues in the second direction. A second impurity region is formed on the upper surface of the pillar. A gate insulating film and a gate electrode are formed on the body to surround the side of the pillar. The word line is arranged in the first direction on the body and is in electrical contact with the side surface of the gate electrode. A storage node is disposed on the pillar and electrically connected to the second impurity region.
상기 필라 구조물과 상기 반도체 기판사이에 형성된 매몰 산화막을 더 포함하여, 상기 필라 구조물과 상기 반도체 기판은 전기적으로 분리된다. 상기 필라 구조물은 상기 반도체 기판에 일체형으로 형성된다. 상기 제1불순물 영역은 상기 바디의 상기 제2방향에서의 양측면에 부분적으로 형성된다. Further comprising a buried oxide film formed between the pillar structure and the semiconductor substrate, the pillar structure and the semiconductor substrate is electrically separated. The pillar structure is integrally formed on the semiconductor substrate. The first impurity region is partially formed on both sides of the body in the second direction.
상기 제1불순물 영역은 상기 제1방향에서 일렬 배열되는 필라간에서는 서로 분리되고, 상기 제2방향에서 일렬 배열되는 필라간에는 전기적으로 서로 연결되어 확산 비트라인으로 작용한다. 본 발명의 반도체 메모리소자는 상기 필라 구조물의 상기 바디사이에 충진되도록 상기 반도체 기판상에 형성되어, 상기 제1방향에서 상기 제1불순물영역을 전기적으로 분리시켜 주는 제1절연막; 상기 필라사이에 충진되도록 상기 제1절연막상에 형성되고, 상기 제2방향으로 연장되는 트렌치를 구비하되, 상기 트렌치내에 상기 워드라인이 형성되는 제2절연막; 및 상기 트렌치내의 상 기 워드라인상에 형성된 제3절연막을 더 포함한다.The first impurity regions are separated from each other in pillars arranged in a line in the first direction, and electrically connected to each other in pillars arranged in a line in the second direction to act as diffusion bit lines. The semiconductor memory device of the present invention comprises: a first insulating film formed on the semiconductor substrate to be filled between the bodies of the pillar structure to electrically separate the first impurity region in the first direction; A second insulating layer formed on the first insulating layer so as to be filled between the pillars and having a trench extending in the second direction, wherein the word line is formed in the trench; And a third insulating layer formed on the word line in the trench.
상기 필라 구조물의 상기 바디의 일부분은 상기 제1방향에서 상기 필라의 폭과 동일한 폭을 가지며, 상기 게이트 전극은 상기 제2방향에서 상기 바디의 상기 일부분까지 연장형성되어 상기 제2방향에서의 길이가 상기 제1방향에서의 길이보다 길다. 상기 제1불순물영역은 상기 제1방향에서 일렬 배열되는 필라간에서는 서로 분리되고, 상기 제2방향에서 일렬 배열되는 필라간에는 전기적으로 서로 연결되도록 상기 바디의 상기 일부분에 형성되되, 상기 제1방향에서의 상기 게이트 전극이 상기 제1불순물 영역아래까지 연장 형성된다. 본 발명의 반도체 메모리장치는 상기 게이트 전극 하부의 상기 바디사이에 충진되도록 상기 반도체 기판상에 형성된 제1절연막; 상기 바디의 상기 일부분과 상기 필라사이에 충진되도록 상기 제1절연막상에 형성되고, 상기 제2방향으로 연장되는 트렌치를 구비하되, 상기 트렌치내에 상기 워드라인이 형성되는 제2절연막; 및 상기 트렌치내의 상기 워드라인상에 형성된 제3절연막을 더 포함한다.A portion of the body of the pillar structure has a width equal to the width of the pillar in the first direction, and the gate electrode extends to the portion of the body in the second direction to have a length in the second direction. It is longer than the length in the first direction. The first impurity regions are formed in the part of the body to be electrically connected to each other in the pillars arranged in a line in the first direction, and the pillars arranged in a line in the second direction are electrically connected to each other, in the first direction The gate electrode of is formed to extend below the first impurity region. A semiconductor memory device of the present invention includes a first insulating film formed on the semiconductor substrate to be filled between the body below the gate electrode; A second insulating layer formed on the first insulating layer so as to be filled between the portion of the body and the pillar and having a trench extending in the second direction, wherein the word line is formed in the trench; And a third insulating film formed on the word line in the trench.
본 발명의 반도체 메모리소자의 제조방법은 다음과 같다. 반도체 기판상에 패드 산화막과 제1방향으로 연장되는 하드 마스크 패턴을 형성한다. 상기 하드 마스크 패턴을 이용하여 필라 구조물을 형성한다. 상기 필라구조물은 상기 반도체 기판에 상기 제1방향으로 서로 이격되어 상기 반도체 기판상에 배열되고 그의 내부에 제1불순물영역이 형성된 바디와, 상기 바디상에 상기 제1방향과 교차하는 제2방향으로 서로 이격되어 배열되는 다수의 필라를 구비하며, 상기 제1방향에서 상기 필라의 폭은 상기 바디의 폭보다 작다. 이어서, 상기 필라의 측면을 둘러싸는 게이트 절연막 및 게이트 전극을 형성한다. 상기 바디 상부에 제1방향으로 배열되어, 상기 게이트전극의 측면과 전기적으로 콘택되는 워드라인을 형성한다. 상기 필라의 상부 표면에 제2불순물 영역을 형성한다. 상기 제2불순물 영역과 전기적으로 연결되며, 상기 필라상부에 배치되는 스토리지 노드전극을 형성한다.A method of manufacturing a semiconductor memory device of the present invention is as follows. A pad oxide film and a hard mask pattern extending in the first direction are formed on the semiconductor substrate. The pillar structure is formed using the hard mask pattern. The pillar structures are spaced apart from each other in the first direction on the semiconductor substrate and are arranged on the semiconductor substrate and have a first impurity region formed therein, and in the second direction crossing the first direction on the body. A plurality of pillars are arranged spaced apart from each other, the width of the pillar in the first direction is smaller than the width of the body. Subsequently, a gate insulating film and a gate electrode surrounding side surfaces of the pillar are formed. The word line may be formed on the body in a first direction to be in electrical contact with a side surface of the gate electrode. A second impurity region is formed on the upper surface of the pillar. The storage node electrode is electrically connected to the second impurity region and is formed on the pillar.
상기 필라 구조물을 형성하는 하나의 방법은 먼저 상기 반도체 기판을 상기 하드 마스크 패턴을 이용하여 제1식각깊이로 식각한다. 상기 반도체 기판의 상기 식각된 부분으로 불순물을 이온주입한 다음 열처리하여 상기 바디내에 제1불순물영역을 형성한다. 상기 제1불순물 영역은 상기 제2방향에서 상기 바디의 측면 일부분에 형성되어,, 상기 제1방향에서 연속적으로 형성된다. 이어서, 상기 반도체 기판을 상기 하드 마스크 패턴을 이용하여 제2식각깊이로 식각하여 상기 제1불순물영역을 상기 제2방향에서 서로 분리시켜 준다. 상기 반도체 기판의 식각된 부분에 상기 제1불순물영역을 제1방향에서 전기적으로 절연시켜 주기 위한 제1절연막을 형성한다. 상기 제1방향과 교차하는 제2방향으로 상기 하드 마스크 패턴 및 제1절연막과 상기 반도체 기판을 상기 제1식각깊이로 식각한다. 상기 제1식각깊이로 식각된 부분에 채워지도록 상기 제1절연막상에 제2절연막을 형성한다. 상기 제1절연막과 상기 제2절연막을 상기 하드 마스크 패턴을 이용하여 제3식각깊이로 식각하여, 상기 바디의 상기 상면 및 상기 필라의 상기 측면을 노출시켜 준다. 상기 필라의 측면이 상기 하드 마스크 패턴의 에지부분으로부터 일정간격유지하도록 상기 필라의 상기 측면을 식각한다.In one method of forming the pillar structure, the semiconductor substrate is first etched to a first etching depth using the hard mask pattern. An impurity is implanted into the etched portion of the semiconductor substrate and then heat-treated to form a first impurity region in the body. The first impurity region is formed in a portion of the side surface of the body in the second direction, and is continuously formed in the first direction. Subsequently, the semiconductor substrate is etched to a second etching depth using the hard mask pattern to separate the first impurity regions from each other in the second direction. A first insulating layer is formed on the etched portion of the semiconductor substrate to electrically insulate the first impurity region in a first direction. The hard mask pattern, the first insulating layer, and the semiconductor substrate are etched to the first etching depth in a second direction crossing the first direction. A second insulating layer is formed on the first insulating layer so as to fill the portion etched to the first etching depth. The first insulating layer and the second insulating layer are etched to a third etching depth by using the hard mask pattern to expose the upper surface of the body and the side surface of the pillar. The side surface of the pillar is etched so that the side surface of the pillar is spaced apart from the edge portion of the hard mask pattern.
상기 제1절연막과 상기 제2절연막은 상기 제1식각깊이와 동일한 제3식각깊이 로 식각되어 상기 필라의 측면을 노출시켜 주거나 또는 상기 제1식각깊이보다 큰 상기 제3식각깊이로 식각되어 제2방향에서의 상기 바디의 상기 측면을 일부분 노출시키며, 상기 필라의 상기 측면 식각단계시 상기 바디의 상기 노출된 측면도 동시에 식각하여 상기 제방향에서 상기 바디의 일부분의 폭이 상기 필라의 폭과 동일하게 되도록 한다.The first insulating layer and the second insulating layer are etched to a third etch depth that is the same as the first etch depth to expose side surfaces of the pillar or to be etched to a third etch depth that is greater than the first etch depth. Partially exposing the side of the body in a direction, and simultaneously exposing the exposed side of the body during the side etching step of the pillar such that the width of the portion of the body in the first direction is equal to the width of the pillar. do.
상기 반도체 기판은 그의 상면에 매몰산화막과 반도체층을 구비하며, 상기 필라 구조물은 상기 반도체층을 식각하여 형성할 수도 있다.The semiconductor substrate may include a buried oxide film and a semiconductor layer on an upper surface thereof, and the pillar structure may be formed by etching the semiconductor layer.
이하 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention may be modified in many different forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shape and the like of the elements in the drawings are exaggerated to emphasize a more clear description, and the elements denoted by the same reference numerals in the drawings means the same elements.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 트랜지스터를 구비한 반도체 메모리 소자의 평면도를 도시한 것이다. 도 2a 내지 도 2o는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 트랜지스터를 구비한 반도체 메모리 소자의 제조방법을 설명하기 위한 사시도를 도시한 것이다. 도 3a 내지 도 3m은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 트랜지스터를 구비한 반도체 메모리 소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도로서, "X1" 부분은 도 1의 X1-X1선에 따른 단 면도이고, "X2"부분은 도 1의 X2-X2 선에 따른 단면도이고, "Y" 부분은 도 1의 Y-Y 선에 따른 단면도이다. 1 is a plan view of a semiconductor memory device having a vertical transistor according to an embodiment of the present invention. 2A to 2O are perspective views illustrating a method of manufacturing a semiconductor memory device having a vertical transistor according to an embodiment of the present invention. 3A to 3M are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor memory device having a vertical transistor according to an embodiment of the present invention, wherein an “X1” portion is a cut along the lines X1-X1 of FIG. 1. "X2" part is sectional drawing along the X2-X2 line of FIG. 1, and "Y" part is sectional drawing along the YY line of FIG.
도 1, 도 2a 및 도 3a를 참조하면, 반도체 기판(100)상에 패드산화막(112)과 하드 마스크 패턴(114)을 형성한다. 상기 패드 산화막(112)은 증착공정을 통해 형성하거나 또는 산화공정을 통해 형성하며 50 내지 150??의 두께를 갖는다. 상기 하드 마스크 패턴(114)은 게이트 라인 방향으로 연장되는 라인패턴을 갖는다. 상기 반도체 기판(100)과 식각선택비를 갖는 물질, 예를 들어 질화막을 포함하며 500 내지 1500??의 두께를 갖는다. 상기 하드 마스크 패턴(114)을 이용하여 상기 패드 산화막(112)과 반도체 기판(100)을 제1식각깊이로 1차 식각한다. 상기 반도체 기판(100)은 800 내지 1500??의 식각깊이로 1차 식각한다. 상기 제1식각깊이는 후속공정에서 형성되는 게이트전극의 길이에 의해 결정되어지며, 따라서 상기 반도체 기판(100)중 상기 하드 마스크 패턴(114) 하부의 부분(103')의 길이는 게이트 길이에 대응한다. 1, 2A, and 3A, a
도 2b를 참조하면, 상기 반도체 기판(100)의 식각된 부분(100a)으로 예를 들어 인(P) 또는 비소(As) 등과 같은 n형 불순물(121)을 이온주입한다. 열처리공정을 이용하여 주입된 불순물(121)을 확산시켜 상기 하드 마스크 패턴(114) 하부에 상기 소오스영역(또는 드레인 영역)을 위한 제1불순물영역(120)을 형성한다. 이때, 상기 제1불순물영역(120)은 예를 들어 보론(B) 등과 같은 p형 불순물을 이온주입한 다음 확산시켜 형성하는 것도 가능하다. 상기 제1불순물영역(120)은 Y 방향에서 상기 하드 마스크 패턴(114)의 하부에 전체적으로 형성되는 것을 예시하였으나, 상기 반도체 기판(100)의 바디부분(103)의 양측면에만 형성되어질 수도 있다.Referring to FIG. 2B, n-
도 2c 및 도 3b를 참조하면, 상기 하드 마스크 패턴(114)을 마스크로 하여 상기 반도체 기판(100)의 노출된 부분(100a)을 제2식각깊이로 식각한다. 이때, 상기 반도체 기판(100)은 상기 제1불순물 영역(120) 하부까지 식각되며, 바람직하게는 1000 내지 2000??의 제2식각깊이로 식각한다. 상기 반도체 기판(100)의 2차식각으로 상기 반도체 기판(100)의 식각된 부분(100b)은 상기 제2불순물 영역(120)보다 하부에 위치하게 된다. 상기 제1불순물영역(120)은 제1방향, 예를 들어 Y 방향에서 분리되며, 제2방향, 예를 들어 X방향에서는 연속적으로 형성되어진다. 상기 제1불순물 영역(120)은 확산 비트라인(diffused bitline)으로 작용하며, 상기 제1불순물영역(120)중 하드 마스크 패턴(114) 하부에 대응하는 부분(125)은 트랜지스터의 소스영역(또는 드레인 영역)으로 작용한다. 따라서, 소스영역(또는 드레인 영역) (125)은 Y 방향에서는 서로 분리되고, X1방향에서는 확산 비트라인(120)에 의해 전기적으로 연결되어진다. 이때, 반도체 기판(100)의 2차식각에 의해 상기 제1불순물영역(120) 즉, 확산 비트라인(120)은 분리되어 Y 방향에서 서로 이격배치되는 구조를 갖게 된다.2C and 3B, the exposed
도 2d 및 도 3c를 참조하면, 제1절연막(131)을 상기 반도체 기판(100)의 식각부분(100b)이 완전히 매립되도록 상기 반도체 기판(100)의 결과물상에 증착한다. 상기 제1절연막(131)은 예를 들어 산화막계열의 절연물질을 포함하며, 바람직하게 4000 내지 6000??의 두께로 증착한다. 상기 제1절연막(131)을 상기 하드 마스크 패턴(114)을 식각정지막으로 하여 화학 기계적 연마(CMP) 공정을 통해 식각하여, 상기 반도체 기판(100)의 식각된 부분(100b)에 충진시켜 준다. 2D and 3C, a first insulating
도 2e 및 도 3d를 참조하면, 상기 반도체 기판(100)의 결과물상에 마스크 패턴(116)을 형성한다. 상기 마스크 패턴(116)은 상기 반도체 기판(100)의 결과물상에 포토레지스트막을 도포한 다음 패터닝하여 형성하거나 또는 질화막과 포토레지스트막의 적층막을 순차 형성한 다음 패터닝하여 형성할 수도 있다. 상기 마스크 패턴(116)은 상기 하드 마스크 패턴(114)과 교차하는 방향으로 연장되는 라인패턴을 갖는다. 상기 마스크 패턴(116)을 이용하여 상기 반도체 기판(100)이 노출될 때까지 상기 하드 마스크 패턴(114)과 패드산화막(112) 및 제1절연막(131)을 식각한다. 상기 마스크 패턴(116)이 포토레지스트막과 질화막의 적층막을 갖는 경우, 상기 포토레지스트막은 상기 반도체 기판(100)의 식각공정전에 제거하는 것도 가능하다. 2E and 3D, a
도 2f 및 도 3e를 참조하면, 상기 마스크 패턴(116)을 이용하여 상기 노출된 반도체 기판(100)과 제1절연막(131)을 상기 제1식각깊이와 동일한 식각깊이로 식각하여 필라구조물을 형성한다. 상기 각 필라구조물은 X 방향으로 연장되는 바디(103)와, 상기 바디(103)상에 X 방향으로 이격배치된 다수의 필라(105)를 구비한다. 이때, 상기 반도체기판(100)은 상기 제1불순물영역(120)이 노출될 때까지 식각하는 것이 바람직하다. 상기 마스크 패턴(116)을 제거한다. 도 1을 참조하면, 하드 마스크 패턴(114)은 그의 상면이 사각형, 예를 들어 정사각형 구조를 가지며, 한변의 길이는 1F(F:minimum feature size)이다. X 방향으로 인접하는 배열되는 하드 마스크 패턴(114)간의 간격과 Y 방향으로 인접하게 배열되는 하드 마스크 패턴(114)간의 간격은 동일하며, 1F 이다. 2F and 3E, a pillar structure is formed by etching the exposed
도 2g 및 도 3f를 참조하면, 상기 반도체 기판(100)의 식각된 부분(100c) 및 상기 제1절연막(131)의 식각된 부분(131c)이 완전히 채워지도록 상기 반도체 기판(100)의 결과물상에 제2절연막(133)을 증착한다. 상기 제2절연막(133)은 산화막 계열의 절연막을 포함하며, 4000 내지 6000??의 두께를 갖는다. 상기 제2절연막(133)을 상기 하드 마스크 패턴(114)이 노출될 때까지 화학기계적 연마(CMP) 공정을 통해 식각하여, 상기 반도체 기판(100)의 식각된 부분(100c)과 상기 제1절연막(131)의 식각된 부분(131c)에 제2절연막(133)을 충진시켜 준다. Referring to FIGS. 2G and 3F, the resultant image of the
도 2h 및 도 3g를 참조하면, 상기 하드 마스크 패턴(114)을 이용하여 상기 제1절연막(131)과 상기 제2절연막(133)을 상기 제1식각깊이만큼 식각하여 상기 바디(103)의 상면 및 상기 바디(103)에 배열된 각 필라(105)의 측벽을 노출시켜 준다. 도 2i 및 도 3h를 참조하면, 상기 필라(105)의 노출된 측벽을 등방성식각한다. 상기 필라(105)의 등방성식각에 따른 상기 하드 마스크 패턴(114)의 측벽으로부터 상기 필라(105)의 측벽까지의 거리(d)는 후속공정에서 형성되는 게이트전극의 두께에 의해 결정되며, 예를 들어 200 내지 300??정도가 된다. 2H and 3G, the first insulating
도 2j 및 도 3i를 참조하면, 상기 필라(105)의 측벽에 게이트 절연막(140)을 형성한다. 상기 게이트 절연막(140)은 열산화공정 또는 증착공정 등에 의해 형성가능하다. 상기 게이트 절연막(140)은 실리콘 산화막(SiO2), 하프늄 산화막(HfO2), 탄탈륨 산화막(Ta2O5), ON(oxde-nitride) 막 또는 ONO(oxide-nitride-oxide) 막 등을 사용할 수 있다. 이어서, 상기 반도체 기판(100)의 결과물상에 도전막을 증착한다. 상기 도전막은 게이트 전극물질을 포함하며. 바람직하게 불순물이 도핑된 폴리 실리콘막, 금속막, 금속실리사이드막, 금속질화막 등을 사용할 수 있다. 상기 도전막을 에치백하여 상기 필라(105)의 측벽을 둘러싸는 게이트전극(145)을 상기 바디(105)상에 형성한다. 상기 게이트 전극(145)은 상기 필라(105)를 둘러싸도록 스페이서 형태로 형성되고, 기판표면에 대하여 수직구조를 갖는다.2J and 3I, a
도 2k 및 도 3j를 참조하면, 상기 반도체 기판(100)의 식각된 부분(100c)과 상기 제1절연막(131b)의 식각된 부분(131b)이 충분히 채워지도록 상기 반도체 기판(100)의 결과물상에 제3절연막(135)을 증착한다. 상기 제3절연막(135)은 산화막 계열의 절연물질을 포함하며, 4000 내지 6000??의 두께를 갖는다. 상기 하드 마스크 패턴(114)을 식각마스크로 하여 상기 제3절연막(135)을 CMP 하여 평탄화시켜 준다.2K and 3J, the resultant image of the
도 2l 및 도 3k를 참조하면, 상기 반도체 기판(100)의 결과물상에 마스크물질, 예를 들어 포토레지스트막을 도포한다. 상기 포토레지스트막을 패터닝하여 상기 필라구조물의 바디(105)와 교차하는 방향, 예를 들어 Y 방향으로 연장되는 라인패턴을 갖는 마스크 패턴(도면상에 미도시)을 형성한다. 상기 마스크 패턴을 이용하여 상기 제3절연막(135)을 식각하여 트렌치(136)를 형성한다. 상기 트렌치(136)에 의해 X방향에서 일렬 배열되는 각 필라(105)의 측벽에 형성된 게이트 전극의 측면에 노출되어진다. 상기 트렌치(136)는 워드라인 형성을 위한 것으로서, Y 방향으로 길게 연장된다. 상기 트렌치(136)의 깊이는 워드라인의 두께에 의해 결정되어지며, 바람직하게 1500 내지 2000??의 깊이를 갖는다. Referring to FIGS. 2L and 3K, a mask material, for example, a photoresist film is coated on the resultant of the
상기 트렌치(136)가 충분히 채워지도록 상기 반도체 기판(100)의 결과물상에 도전막을 증착한다. 상기 도전막은 워드라인 물질로서, 불순물이 도핑된 폴리실리 콘막, 금속막 및 금속실리사이드막을 포함하며, 단일막 또는 적층막 구조를 갖는다. 상기 도전막을 상기 하드 마스크패턴(114)과 제3절연막(135)이 노출될 때까지 CMP 하여 평탄화시켜 준다. 이어서, 상기 도전막을 일정두께만큼, 예를 들어 500 내지 1000??의 두께만큼 식각하여 상기 트렌치(136)내에 워드라인(150)을 형성한다. 상기 트렌치(136)내의 도전막의 식각두께는 상기 워드라인(150)과 후속공정에서의 형성되는 스토리지 노드와의 절연특성을 고려하여 결정되어진다. 상기 워드라인(150)은 상기 바디(105)와 교차하는 Y방향으로 연장 배열되어, Y 방향으로 배열되는 게이트 전극(145)의 측면과 전기적으로 콘택되어진다. A conductive film is deposited on the resultant of the
도 2m을 참조하면, 상기 트렌치(136)가 충분히 채워지도록 제4절연막(137)을 증착한다. 상기 제4절연막(137)은 산화막 계열의 절연물질로서, 4000 내지 6000??의 두께를 갖는다. 상기 제4절연막(137)을 상기 하드 마스크 패턴(114)을 식각정지막으로 하여 CMP 하여 상기 트렌치(136)를 충진시켜 준다.Referring to FIG. 2M, a fourth insulating
도 2n 및 도3l을 참조하면, 상기 하드 마스크 패턴(114)을 선택적으로 식각하여 제거하여 상기 필라(105)상에 형성된 패드 산화막(112)을 노출시켜 주는 홈을 형성한다. 상기 반도체 기판(100)의 결과물상에 제3절연막 (135) 및 제4절연막(137)과 식각선택비를 갖는 절연막을 100 내지 300??의 두께로 증착한다. 상기 절연막을 에치백하여 상기 홈의 내측벽을 따라 스페이서(170)를 형성한다. 상기 스페이서(170)는 상기 게이트전극(145)과 후속공정에서 형성될 스토리지 노드 콘택플러그와의 아이솔레이션을 위한 것이다. 상기 필라(105)의 상면으로 소정 도전형의 불순물, 즉 상기 제1불순물영역(120)과 동일한 도전형을 갖는 불순물, 예를 들어 n형 불순물을 이온주비하여 제2불순물 영역(160)을 형성한다. 상기 제2불순물 영역(160)은 드레인 영역(또는 소오스 영역)을 위한 것이다. 상기 홈이 완전히 채워지도록 상기 반도체 기판(100)의 결과물상에 도전막을 증착하고, 제3절연막(135) 및 상기 제4절연막(137)이 노출될 때까지 상기 도전막을 에치백하여 상기 홈에 스토리지 노드용 콘택 플러그(175)을 형성한다. 상기 콘택 플러그(175)는 금속물질 또는 불순물이 도핑된 폴리실리콘막을 포함할 수 있다. 2N and 3L, the
도 2o 및 도 3m을 참조하면, 캐패시터 공정을 통하여 상기 스토리지 노드 콘택 플러그(175)에 연결되는 스토리지 노드전극(180)를 형성한다. 상기 스토리지 노드전극(180)은 불순물 도핑된 폴리실리콘막이나 티타늄막, 니켈막, 티타늄질화막, 루테늄막 등의 금속막을 사용할 수 있다. 이후 도면상에는 도시되지 않았으나, 캐패시터 유전막과 플레이트 노드전극을 형성하여 캐패시터를 형성한다.2O and 3M, a
일 실시예에서는, 상기 바디(103)가 Y 방향으로 서로 이격배열되고, 상기 바디상에 X방향으로 다수의 필라(105)가 이격배열되는 필라구조물을 구비한다. 상기 필라(105)의 측벽을 둘러싸도록 게이트전극(145)이 형성되며, 상기 워드라인(150)이 상기 Y 방향으로 연장되어 상기 Y방향으로 일렬 배열되는 필라(105)의 측벽에 형성된 게이트 전극(145)의 측면과 전기적으로 콘택되어진다. 상기 필라(105)의 하부에는 소스영역(또는 드레인 영역)(125)이 형성되되, X 방향에서 일렬 배열되는 필라(105)의 하부에 배열된 소스영역(또는 드레인 영역) (125)은 상기 제1불순물영역(120) 즉, 비트라인(120)에 의해 전기적으로 연결되는 구조를 갖는다.In one embodiment, the
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직 트랜지스터를 구비한 반도체 메 모리소자의 단면도이다. 도 4a에서, "X1" 부분은 도 1의 X1-X1선에 대응하는 단면도이고, "X2"부분은 도 1의 X2-X2 선에 대응하는 단면도이고, "Y" 부분은 도 1의 Y-Y 선에 대응하는 단면도이다. 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직 트랜지스터를 구비한 반도체 메모리 소자의 사시도를 도시한 것이다. 4A is a cross-sectional view of a semiconductor memory device having a vertical transistor according to another embodiment of the present invention. In FIG. 4A, part "X1" is a cross-sectional view corresponding to line X1-X1 in FIG. 1, part "X2" is a cross-sectional view corresponding to line X2-X2 in FIG. 1, and part "Y" is line YY in FIG. The cross section corresponding to the. 4B illustrates a perspective view of a semiconductor memory device having a vertical transistor according to another embodiment of the present invention.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 다른 실시예에 따른 반도체 메모리소자는 반도체 기판(100)의 상면에 매몰 산화막(buried oxide) 및 반도체층을 구비하는 SOI 기판을 사용하는 것만이 일 실시예와 다르다. 상기 반도체 층으로는 실리콘층 또는 게르마늄층 등과 같은 다양한 반도체층을 사용할 수 있다. 상기 필라(105) 및 바디(103)를 구비하는 필라구조물이 상기 반도체층에 형성된다. 상기 필라구조물과 상기 반도체 기판(100)사이에 매몰산화막(101)이 존재하기 때문에, 필라 구조물의 바디(103)에 형성되는 확산 비트라인(120)을 분리시켜 주기 위한 식각공정시 상기 반도체층의 식각량을 500 내지 1000??의 두께로 감소시켜 줄 수 있다. 다른 실시예에서는 도 2c 및 도 3b에 도시된 비트라인 분리공정시 상기 메몰산화막(101)이 노출될 때까지 반도체층을 식각하게 된다.4A and 4B, a semiconductor memory device according to another embodiment may differ from an embodiment in that it uses only an SOI substrate having buried oxide and a semiconductor layer on an upper surface of the
도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수직 트랜지스터를 구비한 반도체 메모리 소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도를 도시한 것이다. 도 5a 내지 도 5f에서, "X1" 부분은 도 1의 X1-X1선에 대응하는 단면도이고, "X2"부분은 도 1의 X2-X2 선에 대응하는 단면도이고, "Y" 부분은 도 1의 Y-Y 선에 대응하는 단면도이다. 도 6a 내지 도 6f은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수직 트랜지스터를 구비한 반도체 메모리 소자의 제조방법을 설명하기 위한 사시도이다. 다른 실 시예에 따른 반도체 메모리 소자는 필라구조물 및 게이트 전극(145)의 구조가 일실시예와 상이한 것으로서, 다른 실시예의 제조방법을 이에 한정하여 설명한다.5A to 5F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor memory device having a vertical transistor according to still another embodiment of the present invention. 5A to 5F, the portion "X1" is a cross-sectional view corresponding to the line X1-X1 of FIG. 1, the portion "X2" is a cross-sectional view corresponding to the line X2-X2 of FIG. 1, and the portion "Y" is FIG. This is a cross-sectional view corresponding to the line YY. 6A to 6F are perspective views illustrating a method of manufacturing a semiconductor memory device having a vertical transistor according to still another embodiment of the present invention. In the semiconductor memory device according to another embodiment, the pillar structure and the structure of the
도 5a 및 도 6a를 참조하면, 일실시예에서와 같이 상기 반도체 기판(100)의 식각된 부분(100c) 및 상기 제1절연막(131)의 식각된 부분(131c)이 완전히 채워지도록 상기 반도체 기판(100)의 결과물상에 제2절연막(133)을 형성한다. Referring to FIGS. 5A and 6A, as in an exemplary embodiment, the
도 5b 및 도 6b를 참조하면, 하드 마스크 패턴(114)을 이용하여 상기 제1절연막(131)과 상기 제2절연막(133)을 상기 제3식각깊이로 식각하여 상기 바디(103)의 일부분의 측벽 및 상기 바디(103)에 배열된 각 필라(105)의 측벽을 노출시켜 준다. 상기 제1절연막(131) 및 제3절연막(133)은 상기 바디(103)의 상기 제1불순물영역(120) 하부의 부분이 노출되도록 식각된다. 상기 제3식각깊이는 상기 제1식각깊이보다 크다. 상기 바디(103)의 일부분이 노출되는 것을 예시하였으나, 상기 바디(103)의 측벽 모두가 노출되도록 제1절연막(131) 및 제3절연막(133)을 식각하는 것도 가능하다.5B and 6B, the first insulating
도 5c 및 도 6c를 참조하면, 상기 필라(105) 및 상기 바디(103)의 노출된 측벽을 등방성식각한다. 상기 필라(105) 및 상기 바디(103)의 등방성식각에 따른 상기 하드 마스크 패턴(114)의 측벽으로부터 상기 필라(105)의 측벽까지의 거리(d)는 후속공정에서 형성되는 게이트전극의 두께에 의해 결정되며, 예를 들어 200 내지 300??정도가 된다. 이때, 상기 바디(103)는 Y 방향에서 서로 다른 폭을 갖도록 형성되며, 상기 바디(103)의 일부분은 상기 필라(105)와 Y 방향에서의 폭과 동일하도록 형성된다.5C and 6C, the exposed sidewalls of the
도 5d 및 도 6d를 참조하면, 상기 필라(105)의 측벽 및 상기 바디(103)의 측벽에 게이트 절연막(140)과 게이트 전극(145)을 형성한다. 상기 게이트 전극(145)은 상기 필라(105)의 측벽에 스페이서 형태로 형성되어 상기 필라(105)를 둘러싸는 서라운딩 전극을 구조를 갖으며, 상기 X 방향에서의 길이가 Y 방향에서의 길이보다 길게 형성된다. 따라서, X 방향에서의 게이트 전극(145)은 상기 제1불순물영역(120) 하부까지 연장된다. 도 5e 및 도 6e를 참조하면, 상기 반도체 기판(100)의 결과물상에 제3절연막(135)을 형성한다. 이후 공정을 진행하게 되면 도 5f 및 도 6f와 같은 반도체 메모리소자가 얻어진다. 상기 게이트 전극(145)은 상기 X 방향에서의 길이가 Y 방향에서의 길이보다 길게 형성되어 백 게이트(back gate)를 구성하게 되어 바디플로팅 현상을 방지하게 된다.5D and 6D, a
도 5a 내지 도 5f 그리고 도 6a 내지 도 6f에 도시된 반도체 메모리장치는 일 실시예에서처럼 반도체 기판(100)을 식각하여 상기 반도체 기판(100)과 필라구조물이 일체형으로 된 것을 예시하였으나, 도 4a 및 도 4b에 도시된 다른 실시예에서와 같이 SOI 기판에 적용하여 상기 반도체 기판(100)과 필라구조물이 분리되는 구조를 가질 수도 있다. 5A through 5F and 6A through 6F illustrate that the
이상에서 자세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 2단계 식각공정에 의해 바디에 확산 비트라인을 형성한 다음 상기 바디상에 다수의 필라가 일렬로 배열되는 필라구조물과 상기 필라를 둘러싸는 게이트 전극을 형성하여 줌으로써, 필라 및 게이트 전극 형성시 공정마진을 개선하고, 비트라인간의 간격 대비 워드라인간 의 간격을 유사하게 유지하여 줌으로써 공정마진을 개선하여 집적도를 개선할 수 있다.As described in detail above, according to the present invention, a pillar structure in which a plurality of pillars are arranged in a row on the body by forming a diffusion bit line on a body by a two-step etching process and a gate electrode surrounding the pillar By forming, the process margin can be improved when forming pillars and gate electrodes, and the process margin can be improved by maintaining the spacing between word lines to the bit line spacing similarly, thereby improving the degree of integration.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형이 가능하다.Although the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications may be made by those skilled in the art within the scope of the technical idea of the present invention. .
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