KR20130128502A - 반도체 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소 페시베이션(hydrogen passivation)의 효율을 높여 반도체 소자의 리프레시 열화를 방지할 수 있는 반도체 장치 및 그 제조 방법을 개시한다.
본 발명의 반도체 장치는 셀 영역 및 더미 셀 영역에 위치하며 게이트, 비트라인 및 스토리지노드 콘택을 포함하는 하부 구조물, 상기 스토리지노드 콘택과 연결되는 캐패시터 및 상기 더미 셀 영역의 캐패시터가 식각되어 형성된 수소 페시베이션 경로를 포함하며, 더미 셀 영역에 수소 페시베이션을 위한 수소 이동 경로를 형성함으로써 수소 이동 경로를 충분히 확보할 수 있어 페시베이션 어닐링 공정시 보다 많은 수소를 반도체 장치내로 공급하여 반도체 장치의 리프레시 열화를 방지할 수 있다.

Description

반도체 장치 및 그 제조 방법{Semiconductor device and manufacturing method of the same}
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 장치의 제조 공정 중에 발생할 수 있는 트랩을 보다 효과적으로 치유할 수 있는 반도체 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 집적도가 높아지면서 디자인 룰(design rule) 또한 축소됨에 따라 반도체 소자를 구성하는 트랜지스터의 게이트의 크기 또한 점점 감소하고 있다.
이처럼 반도체 소자의 크기가 더욱 작아지면서 상대적으로 디램(Dynamic Random Access Memory) 소자의 데이터 보유 시간(Data retention time, tREF)을 확보하는 것이 중요한 이슈가 되고 있다. 데이터 보유 시간에 영향을 미치는 요소 가운데 누설 전류(leakage current)가 있다. 누설 전류는 동작 전류량을 감소시킴에 따라 데이터 보유 시간을 감소시키는 원인이 되고 있다. 이러한 누설 전류는 반도체 소자 상에 존재하는 트랩(trap)의 개수에 따라 증가하는 경향이 있다. 즉, 반도체 소자 상에 트랩의 수가 많을수록 누설 전류가 증가하여 데이터 보유 시간이 저하된다.
이러한 트랩은 반도체 소자를 형성하기 위해 열 공정 또는 플라즈마 공정과 같은 공정을 여러 단계 동안 반복하여 진행하는 과정에서 발생하고 있다. 예를 들어, 플라즈마 공정을 진행하는 과정에서 반도체 기판의 실리콘(Si)의 결합 구조가 손상되면서 실리콘 댕글링 본드(dangling bond)들이 발생하는 격자결함이 발생하고 있다. 이러한 실리콘 댕글링 본드들은 특히 셀 영역에서 게이트 절연막과 반도체 기판의 계면 사이 또는 상부 구조물과 하부 구조물을 연결하는 컨택플러그와 접촉하는 반도체 기판의 계면에서 다수 생성되고 있다. 이와 같이 생성된 실리콘 댕글링 본드들을 제거하지 않은 상태에서 반도체 소자의 동작이 진행되면 캐리어(carrier)들이 이 실리콘 댕글링 본드들에 걸리게 된다. 즉, 실리콘 댕글링 본드들은 캐리어의 동작을 방해하는 트랩(trap)으로 작용하게 된다. 이에 따라 실리콘 댕글링 본드들을 제거하는 것이 중요한 이슈가 되고 있다.
이러한 댕글링 본드를 제거하기 위한 방법으로 반도체 소자에 수소를 주입하는 수소 페시베이션을 위한 어닐링(Annealing) 공정이 수행되고 있다.
즉, 수소(H2)는 아주 작고 가벼운 물질로서 확산속도가 빠르고 또한 불안해져 있는 실리콘 댕그링 본드(Dangling Bond)와 결합하여 안정된 실리콘 격자구조를 형성하기 때문에 누설 전류를 최소화하기 위하여 손상된 반도체 기판을 치유하는 방법으로 캐패시터의 상부 전극까지 형성 한 후 수소 어닐링 공정을 진행한다.
그런데, 현재 반도체 소자에서는 절연막으로 산화막과 질화막이 사용되는데, 그 중에서도 질화막의 사용비중이 높아 이러한 질화막에 의해 수소의 이동이 저해되는 문제가 있다. 따라서, 수소 어닐링을 수행하더라도 셀 트랜지스터의 정션 및 산화막과 셀 캐패시터의 유전막에 생기는 댕글링 본드나 결함들이 제대로 치유되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 수소 페시베이션을 위한 수소 이동 경로를 더미 셀 영역에 형성함으로써 소자에 영향을 주지 않으면서도 충분히 넓은 수소 이동 경로를 확보할 수 있도록 하고자 한다.
또한 본 발명은 플레이트 전극을 식각시 수소 이동 경로를 함께 식각함으로써 추가적인 공정 없이 수소 이동 경로를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 장치는 셀 영역 및 더미 셀 영역에 위치하며 게이트, 비트라인 및 스토리지노드 콘택을 포함하는 하부 구조물, 상기 스토리지노드 콘택과 연결되는 캐패시터 및 상기 더미 셀 영역의 캐패시터가 식각되어 형성된 수소 페시베이션 경로를 포함한다.
바람직하게는, 상기 수소 페시베이션 경로는 상기 셀 영역을 둘러싸는 띠 형상으로 형성되거나 매트(MAT)의 각 변 마다 라인 타입으로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 장치는 셀 영역 및 더미 셀 영역을 포함하는 반도체 장치에 있어서, 상기 더미 셀 영역에 위치하는 수소 페시베이션 경로를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 장치의 제조 방법은 셀 영역 및 더미 셀 영역에 게이트, 비트라인 및 스토리지노드 콘택을 포함하는 하부 구조물을 형성하는 단계, 상기 셀 영역 및 상기 더미 셀 영역에 상기 스토리지노드 콘택과 연결되는 캐패시터를 형성하면서, 상기 더미 셀 영역의 캐패시터를 식각하여 수소 페시베이션 경로 영역을 정의하는 트렌치를 형성하는 단계 및 상기 트렌치에 절연막을 매립한 후 어닐 공정을 수행하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 트렌치를 형성하는 단계는 상기 스토리지노드 콘택과 연결되는 스토리지노드 전극을 형성하는 단계, 상기 스토리지노드 전극 상에 유전체막을 형성하고 상기 스토리지노드 전극 및 유전체막이 매립되도록 플레이트 전극 물질을 형성하는 단계, 플레이트 마스크를 이용하여 상기 플레이트 전극 물질을 매트(MAT) 단위로 식각하여 플레이트 전극을 형성하면서 상기 매트 에지 부분의 상기 플레이트 전극 물질, 상기 유전체막 및 상기 스토리지노드 전극을 함께 식각하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 플레이트 마스크는 플레이트 전극 영역 및 상기 수소 페시베이션 경로 영역을 정의하는 패턴이 형성된다.
바람직하게는, 상기 트렌치는 상기 셀 영역을 둘러싸는 띠 형상으로 식각되거나 매트(MAT)의 각 변 마다 라인 타입으로 식각될 수 있다.
바람직하게는, 상기 절연막은 HDP 산화막, LP-TEOS 및 PE-TEOS 산화막 계열 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명은 더미 셀 영역에 수소 페시베이션을 위한 수소 이동 경로를 형성함으로써 소자에 영향을 주지 않으면서도 충분히 넓은 수소 이동 경로를 확보할 수 있어 페시베이션 어닐링 공정시 보다 많은 수소를 반도체 장치내로 공급하여 실리콘 댕글링 본드를 보다 효과적으로 제거함으로써 데이터 보유 시간을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 수소 이동 경로를 플레이트 전극을 형성시 함께 형성함으로써 별도의 수소 이동 경로 형성을 위한 공정을 필요로 하지 않아 공정을 단순화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 장치의 단면 구조를 나타내는 도면.
도 2는 플레이트 전극 영역 및 수소 페시베이션 경로 영역을 정의하는 플레이트 마스크의 모습을 보여주는 도면.
도 3 내지 도 5는 도 1의 구조를 형성하기 위한 공정 순서를 나타내는 공정 단면도.
도 6은 수소 페시베이션 경로 영역의 폭을 달리한 실시 예를 나타내는 도면.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 장치의 단면 구조를 나타내는 도면이며, 도 2는 플레이트 전극 영역 및 수소 페시베이션 경로 영역을 정의하는 플레이트 마스크의 모습을 보여주는 도면이다.
도 1의 반도체 장치는 셀 영역 및 더미 셀 영역을 포함한다. 셀 영역 및 더미 셀 영역에는 활성영역(12)을 정의하는 소자분리막(12)이 형성되며, 활성영역(12) 내에는 게이트(16)가 매립되어 있다.
매립 게이트(16)의 일측에는 활성영역(12)과 비트라인(20)을 연결하는 비트라인 콘택(18)이 형성되고, 매립 게이트(16)의 타측에는 활성영역(12)과 스토리지노드 전극(24)을 연결하는 스토리지노드 콘택(22)이 형성된다.
스토리지노드 전극(22)의 내측면과 외측면 상에는 유전체막(미도시)이 형성되며, 스토리지노드 전극(22)과 유전체막이 매립되도록 플레이트 전극(26)이 형성됨으로써 캐패시터가 형성된다. 스토리지노드 전극(24) 사이에는 스토리지노드 전극(24)의 쓰러짐을 방지하기 위한 NFC(Nitride Floating Capacitor)(28)가 형성된다.
특히, 본 발명에서는 매트(MAT)의 에지 부분에 있는 더미 셀 영역에 반도체 장치내로의 수소 유입을 위한 수소 페시베이션 경로(30)가 형성된다. 즉, 플레이트 전극(26)을 형성시 더미 셀 영역의 캐패시터(스토리지노드 전극, 유전체 및 플레이트 전극 물질)를 식각하여 띠 형상으로 셀 영역을 둘러싸는 트렌치(미도시)를 형성하고, 트렌치가 매립되도록 산화막(32)을 매립하여 어닐(anneal) 공정을 수행함으로써 수소 페시베이션 경로(30)를 통해 다량의 수소(H)가 캐패시터 및 캐패시터 하부의 콘택이나 반도체 기판으로 쉽게 유입될 수 있도록 한다. 이때, 산화막(32)은 격자구조가 안정적이며 수소 이온을 많이 포함하고 있는 HDP 산화막, LP-TEOS 및 PE-TEOS 산화막 계열 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
도 2는 플레이트 전극 영역 및 수소 페시베이션 경로 영역을 정의하는 플레이트 마스크의 모습을 보여주는 도면이다.
도 2와 같이, 수소 페시베이션 경로 영역(30)은 매트(MAT) 에지 부분의 더미 셀 영역에 셀 영역을 둘러싸는 띠 형상으로 정의될 수 있다. 이때, 수소 페시베이션 경로 영역(30)은 적어도 하나의 캐패시터보다 넓은 폭을 갖는 띠 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 이러한 수소 페시베이션 경로 영역(30)은 플레이트 영역을 정의하는 플레이트 마스크에 함께 형성됨으로써 별도의 공정 없이 플레이트 전극을 형성시 함께 형성될 수 있다.
도 2에서는 수소 페시베이션 경로 영역이 띠 형상으로 형성된 경우를 도시하고 있으나, 띠 형상처럼 연결되지 않고 매트의 각 변 마다 라인 타입으로 형성될 수도 있다.
이처럼, 본 발명에서는 실제로 사용되지 않는 더미 셀 영역에 수소 페시베이션 경로를 형성함으로써 소자에 영향을 주지 않으면서 넓은 수소 페시베이션 경로를 확보할 수 있다.
도 3 내지 도 5는 도 1의 구조를 형성하기 위한 공정 순서를 나타내는 공정 단면도들이다.
도 3을 참조하면, 반도체 기판(100)은 셀 영역(A) 및 더미 셀 영역(B)을 포함한다. STI(Shallow Trench Isolation) 공정을 이용하여 소자분리영역의 반도체 기판(100)을 일정 깊이 식각하여 트렌치(미도시)를 형성한 후 트렌치가 매립되도록 절연막(SOD:Spin On Dielectric)을 형성함으로써 활성영역(102)을 정의하는 소자분리막(104)을 형성한다.
다음에, 게이트 영역의 활성영역(102)과 소자분리막(104)을 식각하여 리세스(미도시)를 형성한 후 리세스 하부에 게이트(106)를 형성한다. 이어서, 리세스가 매립되도록 게이트(106) 상부에 절연막(108)을 형성한다. 절연막(108)은 셀 영역(A) 및 더미 셀 영역(B)의 활성영역(102)과 소자분리막(104) 상부에도 형성된다.
다음에, 매립 게이트(106) 사이의 활성영역(102)이 노출되도록 절연막(108)을 식각하여 비트라인 콘택홀(미도시)을 형성한 후 비트라인 콘택홀이 매립되도록 도전 물질(예컨대, 폴리실리콘)을 형성하여 비트라인 콘택(110)을 형성한다. 이어서, 비트라인 콘택(110) 상부에 비트라인용 도전물질을 형성한 후 이를 패터닝하여 비트라인(112)을 형성한다. 이때, 비트라인(112)은 셀 영역(A) 및 더미 셀 영역(B) 상에 배리어금속막(미도시) 및 비트라인 금속막(미도시)을 다층 증착한 후 이를 패터닝하여 형성할 수 있다.
다음에, 비트라인(112) 상부에 층간 절연막(114)을 형성한다. 이어서 활성영역(102)이 노출되도록 스토리지노드 콘택 영역의 층간 절연막(114) 및 절연막(108)을 식각하여 스토리지노드 콘택홀(미도시)을 형성한 후 스토리지노드 콘택홀이 매립되도록 도전물질을 형성하여 스토리지노드 콘택(116)을 형성한다.
다음에 도 4를 참조하면, 도 3과 같이 셀 영역(A) 및 더미 셀 영역(B)에 매립 게이트(106), 비트라인(112) 및 스토리지노드 콘택(116)을 포함하는 하부 구조물이 형성되면, 그 하부 구조물 상부에 식각 정지막(118)을 형성하고 식각 정지막(118) 상부에 제 1 몰드막(미도시)을 형성한다.
다음에, 제 1 몰드막 상부에 질화막(미도시)을 형성한 후 질화막 상부에 제 2 몰드막(미도시)을 형성한다. 이어서, 스토리지노드 콘택(116)이 노출되도록 스토리지노드 영역의 몰드막, 질화막 및 시각 정지막(118)을 식각하여 트렌치(미도시)를 형성한다.
다음에, 트렌치의 프로파일을 따라 전면에 도전막을 증착한 후 스토리지노드 분리 공정을 진행하여 실린더 형태를 갖는 스토리지노드 전극(120)을 형성한다. 이어서, NFC 마스크(미도시)를 이용하여 제 2 몰드막과 질화막을 식각한다. 이로써 이웃하는 스토리지노드 전극(120)들을 고정시키는 질화막 지지대인 NFC(122)가 형성된다.
다음에, 습식딥아웃 공정을 통해 제 1 몰드막을 모두 제거함으로써 한다. 이때, 남아있던 제 2 몰드막도 동시에 제거된다.
다음에, 스토리지노드 전극(120)의 내측면과 외측면에 유전체막(미도시)을 형성하고 스토리지노드 전극(120) 및 유전체막이 매립되도록 플레이트 전극 물질을 형성한다.
다음에 도 5를 참조하면, 도 2와 같은 플레이트 마스크를 이용한 사진식각 공정을 통해 플레이트 전극 물질 상부에 플레이트 전극 영역 및 수소 페시베이션 경로 영역을 정의하는 마스크 패턴을 형성한다. 이어서, 마스크 패턴을 식각 마스크로 플레이트 전극 물질을 식각하여 매트 영역에 플레이트 전극(124)을 형성하고 동시에 매트의 에지 부분에 있는 더미 셀 영역에서는 플레이트 전극 물질 뿐만 아니라 유전체막 및 스토리지노드 전극(120)을 식각하여 수소 페시베이션 경로 영역을 정의하는 띠 형상의 트렌치(126)를 형성한다. 즉, 수소 페시베이션 경로 영역을 식각하기 위한 공정을 별도로 수행하지 않고 플레이트 전극을 형성시 수소 페시베이션 경로 영역(126)을 함께 형성한다.
이때, 트렌치(126)의 폭은 더미 셀 영역의 범위 내에서 조정이 가능 하다. 예컨대, 도 5에서는 더미 셀 영역(B)에서 이웃하는 2개의 스토리지노드 전극(120)이 식각되는 정도의 폭을 갖도록 트렌치(126)가 형성되는 경우를 나타내고 있으나, 도 6에서와 같이 하나의 스토리지노드 전극(120)에 해당하는 정도의 폭을 갖도록 트렌치가 형성될 수도 있다.
다음에, 트렌치(126)가 매립되도록 산화막(128)을 형성한 후 수소 페시베이션을 위한 어닐 공정을 수행한다. 이때, 산화막(128)은 격자구조가 안정적이며 수소 이온을 많이 포함하고 있는 HDP 산화막, LP-TEOS 및 PE-TEOS 산화막 계열 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
이처럼 본 발명은 수소 페시베이션을 위한 수소의 이동 경로를 더미 셀 영역에 형성함으로써 소자에 영향을 주지 않으면서 수소 이동 경로를 충분히 확보할 수 있게 된다. 따라서 반도체 장치 내에 종래에 비해 상대적으로 많은 수소(H)를 공급할 수 있어 보다 효과적으로 실리콘 댕글링 본드를 제거할 수 있다.
상술한 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.
12, 102 : 활성영역 14, 104 : 소자분리막
16, 106 : 매립 게이트 18, 110 : 비트라인 콘택
20, 112 : 비트라인 22, 116 : 스토리지노드 콘택
24, 120 : 스토리지노드 전극 26, 124 : 플레이트 전극
28, 122 : NFC 30 : 수소 페시베이션 경로
32 : 산화막 108, 114 : 절연막
118 : 식각 정지막 126 : 트렌치

Claims (10)

  1. 셀 영역 및 더미 셀 영역에 위치하며 게이트, 비트라인 및 스토리지노드 콘택을 포함하는 하부 구조물;
    상기 스토리지노드 콘택과 연결되는 캐패시터; 및
    상기 더미 셀 영역의 캐패시터가 식각되어 형성된 수소 페시베이션 경로를 포함하는 반도체 소자.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 수소 페시베이션 경로는
    상기 셀 영역을 둘러싸는 띠 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 수소 페시베이션 경로는
    매트(MAT)의 각 변 마다 라인 타입으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  4. 셀 영역 및 더미 셀 영역을 포함하는 반도체 장치에 있어서,
    상기 더미 셀 영역에 위치하는 수소 페시베이션 경로를 포함하는 반도체 장치.
  5. 셀 영역 및 더미 셀 영역에 게이트, 비트라인 및 스토리지노드 콘택을 포함하는 하부 구조물을 형성하는 단계;
    상기 셀 영역 및 상기 더미 셀 영역에 상기 스토리지노드 콘택과 연결되는 캐패시터를 형성하면서, 상기 더미 셀 영역의 캐패시터를 식각하여 수소 페시베이션 경로 영역을 정의하는 트렌치를 형성하는 단계; 및
    상기 트렌치에 절연막을 매립한 후 어닐 공정을 수행하는 단계를 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 트렌치를 형성하는 단계
    상기 스토리지노드 콘택과 연결되는 스토리지노드 전극을 형성하는 단계;
    상기 스토리지노드 전극 상에 유전체막을 형성하고 상기 스토리지노드 전극 및 유전체막이 매립되도록 플레이트 전극 물질을 형성하는 단계;
    플레이트 마스크를 이용하여 상기 플레이트 전극 물질을 매트(MAT) 단위로 식각하여 플레이트 전극을 형성하면서 상기 매트 에지 부분의 상기 플레이트 전극 물질, 상기 유전체막 및 상기 스토리지노드 전극을 함께 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 플레이트 마스크는
    플레이트 전극 영역 및 상기 수소 페시베이션 경로 영역을 정의하는 패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  8. 제 5항에 있어서, 상기 트렌치는
    상기 셀 영역을 둘러싸는 띠 형상으로 식각되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  9. 제 5항에 있어서, 상기 트렌치는
    매트(MAT)의 각 변 마다 라인 타입으로 식각되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  10. 제 5항에 있어서, 상기 절연막은
    HDP 산화막, LP-TEOS 및 PE-TEOS 산화막 계열 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
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