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KR100955175B1 - Vertical semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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KR100955175B1
KR100955175B1 KR1020080023549A KR20080023549A KR100955175B1 KR 100955175 B1 KR100955175 B1 KR 100955175B1 KR 1020080023549 A KR1020080023549 A KR 1020080023549A KR 20080023549 A KR20080023549 A KR 20080023549A KR 100955175 B1 KR100955175 B1 KR 100955175B1
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Abstract

본 발명은 수직형 반도체 소자 및 그 제조 방법을 개시한다.The present invention discloses a vertical semiconductor device and a method of manufacturing the same.

본 발명의 수직형 반도체 소자 제조 방법은 실리콘 기판 상에 실리콘 기둥을 형성하는 단계; 상기 실리콘 기둥 표면에 게이트 전극물질을 형성하는 단계; 및 상기 실리콘 기둥 상측 표면의 게이트 전극물질을 제거하여 서라운딩 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하며, 이와 같이 본 발명은 서라운딩 게이트 전극을 형성시 필라를 등방성 식각하지 않고 필라의 표면에 스페이서를 형성하는 과정을 이용함으로써 필라를 가늘게 형성하더라도 필라가 쓰러지는 현상을 최소화할 수 있다. 이로써 보다 고집적화된 수직형 반도체 소자의 제조가 가능하도록 해준다.Method of manufacturing a vertical semiconductor device of the present invention comprises the steps of forming a silicon pillar on a silicon substrate; Forming a gate electrode material on the silicon pillar surface; And removing a gate electrode material on the upper surface of the silicon pillar to form a surrounding gate electrode. As described above, the present invention forms a spacer on the surface of the pillar without isotropic etching of the pillar when forming the surrounding gate electrode. By using the process of thinning the pillars even if the thinning can minimize the collapse of the pillars. This enables the fabrication of more highly integrated vertical semiconductor devices.

Description

수직형 반도체 소자 및 그 제조 방법{Vertical semiconductor device and method for manufacturing the same}Vertical semiconductor device and method for manufacturing the same

본 발명은 수직형 반도체 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 서라운딩 게이트(surrounding gate) 전극의 형성 방법을 개선한 수직형 반도체 소자 제조 방법 및 그러한 방법을 이용하여 형성된 반도체 소자에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vertical semiconductor device, and more particularly, to a manufacturing method of a vertical semiconductor device having an improved method of forming a surrounding gate electrode, and a semiconductor device formed using the method.

반도체 소자의 집적도가 증가함에 따라 트랜지스터의 채널 길이가 점차 감소하고 있다. 그러나, 이러한 트랜지스터의 채널 길이 감소는 DIBL(Drain Induced Barrier Lowering) 현상, 핫 캐리어 효과(hot carrier effect) 및 펀치 쓰루(punch through)와 같은 단채널 효과(short channel effect)를 초래하는 문제점이 있다.As the degree of integration of semiconductor devices increases, the channel length of the transistors gradually decreases. However, the reduction in the channel length of such transistors has a problem of causing short channel effects such as a drain induced barrier lowering (DIBL) phenomenon, a hot carrier effect, and a punch through.

이러한 문제를 해결하기 위하여 접합 영역의 깊이를 감소시키는 방법 또는 트랜지스터의 채널 영역에 리세스를 형성하여 상대적으로 채널 길이를 증가시키는 방법 등 다양한 방법이 제안되고 있다.In order to solve this problem, various methods have been proposed, such as a method of reducing the depth of the junction region or a method of increasing the channel length by forming a recess in the channel region of the transistor.

그러나 반도체 메모리 소자 특히 디램(DRAM)의 집적 밀도가 기가 비트에 육박함에 따라 보다 더 작은 사이즈의 트랜지스터 제조가 요구된다. 즉, 기가 비트대의 디램 소자의 트랜지스터는 8F2(F:minimum feature size) 이하의 소자 면적을 요구하고 있으며, 나아가 4F2 정도의 소자 면적을 요구하고 있다. 따라서 게이트 전극이 반도체 기판 상에 형성되는 게이트 전극 양측에 접합 영역이 형성되는 현재의 평면 트랜지스터 구조로는 채널 길이를 스케일링한다고 하여도 요구되는 소자 면적을 만족시키기 어렵다.However, as the integration density of semiconductor memory devices, especially DRAMs, is approaching gigabit, smaller transistor sizes are required. That is, a transistor of a gigabit DRAM device requires an element area of 8F2 (F: minimum feature size) or less, and further requires an element area of about 4F2. Therefore, the current planar transistor structure in which the junction regions are formed on both sides of the gate electrode in which the gate electrode is formed on the semiconductor substrate, does not satisfy the required device area even when the channel length is scaled.

이러한 문제를 해결하기 위하여 수직 채널 트랜지스터 구조가 제안되었다.In order to solve this problem, a vertical channel transistor structure has been proposed.

도 1은 종래 수직형 반도체 소자에서 서라운딩 게이트 전극이 형성되기 전 필라(pillar)의 모습을 보여주는 도면이며, 도 2는 필라의 하부 외주면에 서라운딩 게이트가 형성된 모습을 보여주는 도면이다.FIG. 1 is a view illustrating a pillar before a surrounding gate electrode is formed in a conventional vertical semiconductor device, and FIG. 2 is a view illustrating a surround gate formed on a lower outer circumferential surface of the pillar.

도 1을 참조하면, 하드마스크 패턴(101)을 식각 마스크로 실리콘 기판(106)을 소정 깊이만큼 식각하여 실리콘 기판(106)의 액티브 영역으로서의 필라(pillar) 상부(103)를 형성한다. 다음에 결과물의 전면에 스페이서용 질화막을 형성한 후 이 스페이서용 질화막(102)을 에치백(etch back)하여 하드마스크 패턴(101) 및 필라(103)의 측벽에 스페이서(102)를 형성한다.Referring to FIG. 1, the silicon substrate 106 is etched by a predetermined depth using the hard mask pattern 101 as an etch mask to form a pillar upper portion 103 as an active region of the silicon substrate 106. Next, after forming the spacer nitride film on the entire surface of the resultant product, the spacer nitride film 102 is etched back to form the spacer 102 on the sidewalls of the hard mask pattern 101 and the pillar 103.

다음에, 하드마스트 패턴(101) 및 스페이서(102)를 식각 마스크로 실리콘 기판(106)을 소정 깊이 식각하여 필라 상부(103)와 일체로 연결되는 필라 하부를 형성한다. 다음에, 필라 하부(104)를 등방성 식각하여 얇은 굵기의 채널부(104)를 형성한다. 이때. 필라 하부의 식각 정도는 후속 서라운딩 게이트 전극의 두께 정도가 되도록 한다.Next, the silicon substrate 106 is etched to a predetermined depth by using the hard mask pattern 101 and the spacer 102 as an etching mask to form a pillar lower portion integrally connected to the pillar upper portion 103. Next, the pillar bottom 104 is isotropically etched to form a channel portion 104 having a thin thickness. At this time. The etching degree of the bottom of the pillar is such that the thickness of the subsequent surrounding gate electrode.

다음에 도 2를 참조하면, 채널부(104)의 표면에 산화막(게이트 산화막)(108)을 형성한 후 그 결과물 상부에 폴리 실리콘과 같은 게이트 전극물질을 증착한다. 이어서, 산화막(108)을 식각 마스크로 이용하여 게이트 전극물질을 에치백(etch back) 함으로써 채널부(104)를 둘러싸며 기판 표면에 대해 수직한 형상을 갖는 서라운딩 게이트 전극(109)을 형성된다.Next, referring to FIG. 2, an oxide film (gate oxide film) 108 is formed on the surface of the channel part 104, and then a gate electrode material such as polysilicon is deposited on the resultant. Subsequently, by using the oxide film 108 as an etch mask, the gate electrode material is etched back to form a surrounding gate electrode 109 surrounding the channel portion 104 and having a shape perpendicular to the substrate surface. .

그런데, 도 1에서와 같이 필라에 국부적으로 굵기가 가는(단면적이 작은) 실리콘 기둥이 존재하는 경우 특히 굵기가 가는 실리콘 기둥이 필라의 하부에 존재하는 경우 구조적으로 매우 불안한 형태를 가지게 된다. 즉, 하부가 가는 기둥으로 이루어진 경우 상부의 기둥이 클수록 필라가 쓰러지거나 부러질 가능성이 높아지며, 그러한 경우 후속 공정 진행시 웨이퍼 위에 불순물을 형성하게 되어 수율을 감소시키는 원인이 되고 있다.However, as shown in FIG. 1, when a locally thick silicon pillar (small in cross-sectional area) exists in the pillar, particularly when the thin silicon pillar is present in the lower portion of the pillar, the pillar may have a structurally unstable shape. In other words, when the lower pillar is made of thin pillars, the larger the upper pillar is, the more likely the pillar is to collapse or break. In such a case, impurities are formed on the wafer during the subsequent process, thereby causing a decrease in yield.

더욱이, 집적도가 증가 될수록 필라의 단면적을 더욱 감소시켜야 하는데, 필라의 단면적이 작아 질수록 필라를 등방성 식각하게 되면 필라가 부러질 가능성이 더욱 높아지게 된다.In addition, as the degree of integration increases, the cross-sectional area of the pillar must be further reduced. As the cross-sectional area of the pillar decreases, the isotropic etching of the pillar increases the possibility that the pillar breaks.

따라서, 필라를 등방성 식각하여 서라운딩 게이트를 형성하는 것은 우수한 특성을 구비한 수직형 트랜지스터를 고집적화하는데 제약으로 작용하고 있다.Therefore, forming a rounding gate by isotropically etching the pillars has a limit to high integration of a vertical transistor having excellent characteristics.

본 발명은 수직형 반도체 소자에서 서라운딩 게이트 전극의 형성 방법을 개선하여 보다 우수한 특성의 수직형 반도체 소자를 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a vertical semiconductor device having better characteristics by improving a method of forming a surrounding gate electrode in a vertical semiconductor device.

본 발명의 수직형 반도체 소자 제조 방법은The vertical semiconductor device manufacturing method of the present invention

실리콘 기판 상에 실리콘 기둥들을 형성하는 단계;Forming silicon pillars on the silicon substrate;

상기 실리콘 기둥들의 표면에 게이트 전극을 형성하는 단계; 및Forming a gate electrode on a surface of the silicon pillars; And

상기 실리콘 기둥들의 상측 표면의 게이트 전극을 제거하여 서라운딩 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함한다.Removing the gate electrodes on the upper surfaces of the silicon pillars to form a surrounding gate electrode.

본 발명의 수직형 반도체 소자 제조 방법은 상기 실리콘 기둥들의 상부에 접속되는 스토리지 노드를 형성하는 단계를 더 포함한다.The method of manufacturing a vertical semiconductor device of the present invention further includes forming a storage node connected to the upper portions of the silicon pillars.

본 발명의 수직형 반도체 소자 제조 방법에서 상기 게이트 전극은 Ti, TiN, TaN, W, Al, Cu, WSix 및 이들의 조합 중 선택된 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 한다.In the method of manufacturing a vertical semiconductor device of the present invention, the gate electrode is formed of any one selected from Ti, TiN, TaN, W, Al, Cu, WSix, and a combination thereof.

본 발명의 수직형 반도체 소자 제조 방법에서 상기 게이트 전극은 등방성 식각 방식으로 제거되는 것을 특징으로 한다.In the method of manufacturing a vertical semiconductor device of the present invention, the gate electrode is removed by an isotropic etching method.

본 발명의 수직형 반도체 소자 제조 방법에서 상기 실리콘 기둥 형성 단계는The silicon pillar forming step in the vertical semiconductor device manufacturing method of the present invention

실리콘 기판 상에 패드 산화막을 형성하는 단계; 상기 패드 산화막 상에 하드마스크 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 하드마스크 패턴을 식각 마스크로 사용하 여 상기 패드 산화막과 상기 실리콘 기판을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Forming a pad oxide film on the silicon substrate; Forming a hard mask pattern on the pad oxide layer; And etching the pad oxide layer and the silicon substrate using the hard mask pattern as an etching mask.

본 발명의 수직형 반도체 소자 제조 방법에서 상기 게이트 전극 형성 단계는The gate electrode forming step in the vertical semiconductor device manufacturing method of the present invention

상기 실리콘 기둥들의 표면에 게이트 산화막을 형성하는 단계;Forming a gate oxide film on surfaces of the silicon pillars;

상기 게이트 산화막 상에 상기 게이트 전극물질을 증착하는 단계; 및Depositing the gate electrode material on the gate oxide film; And

상기 실리콘 기둥들 사이에 증착된 상기 게이트 전극물질을 제거하여 실리콘 기둥들 사이를 전극 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.And removing the gate electrode material deposited between the silicon pillars to separate the electrodes between the silicon pillars.

본 발명의 수직형 반도체 소자 제조 방법에서 상기 게이트 전극물질은 Ti, TiN, TaN, W, Al, Cu, WSix 및 이들의 조합 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.In the method of manufacturing a vertical semiconductor device of the present invention, the gate electrode material is any one selected from Ti, TiN, TaN, W, Al, Cu, WSix, and combinations thereof.

본 발명의 수직형 반도체 소자 제조 방법에서 상기 게이트 전극물질 증착 단계는 기상 화학 증착법을 이용하여 상기 게이트 산화막 상에 다결정 실리콘을 증착하는 것을 특징으로 한다.In the method of manufacturing a vertical semiconductor device of the present invention, the gate electrode material deposition step is characterized in that the deposition of polycrystalline silicon on the gate oxide film using a chemical vapor deposition method.

본 발명의 수직형 반도체 소자 제조 방법에서 상기 게이트 전극물질 증착 단계는 상기 다결정 실리콘을 증착시 상기 다결정 실리콘에 인(Ph) 또는 보론(B)을 도핑하는 것을 특징으로 한다.In the method of manufacturing a vertical semiconductor device of the present invention, the gate electrode material deposition step may include doping phosphorus (Ph) or boron (B) on the polycrystalline silicon when the polycrystalline silicon is deposited.

본 발명의 수직형 반도체 소자 제조 방법에서 상기 서라운딩 게이트 전극 형성 단계는In the method of manufacturing a vertical semiconductor device of the present invention, the surrounding gate electrode forming step is

상기 전극 분리된 실리콘 기둥들 사이의 실리콘 기판에 불순물을 이온 주입하여 매립 비트라인을 형성하는 단계;Forming a buried bitline by ion implanting impurities into a silicon substrate between the electrode pillars;

상기 전극 분리된 게이트 전극 상에 질화막을 형성하는 단계;Forming a nitride film on the electrode separated gate electrode;

상기 질화막을 식각 마스크로 상기 매립 비트라인을 제 1 방향으로 식각하여 소자 분리용 트렌치를 형성하는 단계; Etching the buried bit line in the first direction using the nitride film as an etching mask to form a device isolation trench;

상기 트렌치를 매립하며 상기 실리콘 기둥의 최상면 미만의 높이까지 제 1 절연막을 형성하는 단계; 및Filling the trench and forming a first insulating film to a height less than a top surface of the silicon pillar; And

상기 제 1 절연막에 의해 노출된 상기 질화막 및 상기 게이트 전극을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.And removing the nitride film and the gate electrode exposed by the first insulating film.

본 발명의 수직형 반도체 소자 제조 방법에서 상기 불순물 이온 주입은 인(Ph)와 비소(As)를 주입하는 것을 특징으로 한다.In the method of manufacturing a vertical semiconductor device of the present invention, the impurity ion implantation is characterized by implanting phosphorus (Ph) and arsenic (As).

본 발명의 수직형 반도체 소자 제조 방법에서 상기 질화막은 SiH2Cl2 와 NH3를 원료 가스로 하여 저압 화학 증착법(LP CVD) 또는 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition)으로 형성되는 것을 특징으로 한다.In the method of manufacturing a vertical semiconductor device of the present invention, the nitride film is formed by low pressure chemical vapor deposition (LP CVD) or atomic layer deposition (Si CVD) using SiH 2 Cl 2 and NH 3 as source gases.

본 발명의 수직형 반도체 소자 제조 방법에서 상기 질화막은 50 Å ∼ 200 Å 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 한다.In the vertical semiconductor device manufacturing method of the present invention, the nitride film has a thickness in the range of 50 kPa to 200 kPa.

본 발명의 수직형 반도체 소자 제조 방법에서 상기 질화막 및 게이트 전극물질 제거는 등방성 식각 방식을 사용하는 것을 특징으로 한다.In the method of manufacturing a vertical semiconductor device of the present invention, the nitride film and the gate electrode material may be removed using an isotropic etching method.

본 발명의 수직형 반도체 소자 제조 방법은The vertical semiconductor device manufacturing method of the present invention

상기 제 1 절연막을 제거하는 단계;Removing the first insulating film;

상기 트렌치를 매립하며 상기 서라운딩 게이트 전극 하부의 높이까지 제 2 절연막을 형성하는 단계;Filling the trench and forming a second insulating layer to a height below the surrounding gate electrode;

상기 제 2 절연막에 의해 노출된 상기 질화막을 제거하는 단계; 및Removing the nitride film exposed by the second insulating film; And

상기 제 2 절연막상에 상기 서라운딩 게이트 전극들을 제 2 방향으로 연결하는 워드라인을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.And forming a word line on the second insulating layer to connect the surrounding gate electrodes in a second direction.

본 발명의 수직형 반도체 소자는 상술한 제조 방법을 이용하여 형성된 반도체 소자인 것을 특징으로 한다.The vertical semiconductor device of the present invention is characterized in that it is a semiconductor device formed using the above-described manufacturing method.

본 발명은 수직형 반도체 소자 제조에서 서라운딩 게이트 전극을 형성시 필라를 등방성 식각하지 않고 스페이서를 형성하는 과정을 이용하여 필라의 표면에 게이트 전극을 형성함으로써 필라를 가늘게 형성하더라도 필라가 쓰러지는 현상을 최소화할 수 있으며, 이로써 보다 고집적화된 수직형 반도체 소자의 제조가 가능하도록 해준다.The present invention minimizes the phenomenon that the pillar collapses even when the pillar is formed thinly by forming a gate electrode on the surface of the pillar using a process of forming spacers without isotropic etching of the pillar when forming the surrounding gate electrode in manufacturing a vertical semiconductor device. This enables the fabrication of more highly integrated vertical semiconductor devices.

아울러 본 발명의 바람직한 실시 예는 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.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, additions, and substitutions are possible, and that various modifications, additions and substitutions are possible, within the spirit and scope of the appended claims. As shown in Fig.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.

도 3 내지 도 18은 본 발명에 따른 수직형 반도체 소자 제조 방법을 설명하 기 위한 공정 단면도들이다.3 to 18 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a vertical semiconductor device according to the present invention.

먼저, 도 3을 참조하면, 실리콘 기판(201) 상에 패드 산화막(202) 및 하드마스크 패턴(203)을 형성한다. 이때, 하드마스크 패턴(203)은 실리콘 기판(201)과 식각선택비를 갖는 물질 예컨대 질화막을 포함한다.First, referring to FIG. 3, a pad oxide film 202 and a hard mask pattern 203 are formed on a silicon substrate 201. In this case, the hard mask pattern 203 includes a silicon substrate 201 and a material having an etching selectivity, for example, a nitride film.

다음에, 하드마스크 패턴(203)을 이용하여 패드 산화막(202)과 실리콘 기판(201)을 소정 깊이만큼 식각하여 필라(실리콘 기둥)(204)를 형성한다. 이 필라(204)는 후에 소스/드레인 및 채널 영역으로 사용되고 상부는 셀의 스토리지 노드(캐패시터)와 연결된다.Next, the pad oxide film 202 and the silicon substrate 201 are etched by a predetermined depth using the hard mask pattern 203 to form a pillar (silicon pillar) 204. This pillar 204 is later used as a source / drain and channel region and the top is connected to the cell's storage node (capacitor).

이때, 하드마스크 패턴(203)은 TEOS(Si(OC2H5)4 : Tetra Ethoxy Ortho Silicate) 또는 SiH4를 원료 가스로 하는 플라즈마 CVD(Chemical Vapor Deposition) 법을 이용하거나, SiO2 또는 SiH2Cl2 와 NH3를 원료 가스로 하는 실리콘 질화막을 저압 화학 증착법으로 증착하는 것이 바람직하다. 또는 TEOS를 원료 가스로 하는 일반 저압 화학 증착법을 이용하여도 무방하다. 이때, 증착된 SiO2 층의 두께는 500 Å ∼ 5000 Å 범위가 바람직하다. 더욱이, 하드마스크 패턴(203)은 그 식각 속도가 실리콘 기판(201)의 식각 속도에 비해 절반 이하인 물질을 사용하는 것이 바람직하다.In this case, the hard mask pattern 203 may be formed using TEOS (Si (OC 2 H 5 ) 4 : Tetra Ethoxy Ortho Silicate) or plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method using SiH 4 as a source gas, or SiO 2 or SiH 2. It is preferable to deposit a silicon nitride film containing Cl 2 and NH 3 as source gas by a low pressure chemical vapor deposition method. Alternatively, a general low pressure chemical vapor deposition method using TEOS as a raw material gas may be used. At this time, the thickness of the deposited SiO 2 layer is preferably in the range of 500 kPa to 5000 kPa. In addition, it is preferable that the hard mask pattern 203 uses a material whose etching rate is less than half the etching rate of the silicon substrate 201.

도 4를 참조하면, 도 3의 결과물 상에 전체적으로 게이트 산화막(205)과 게이트 전극(206)을 순차적으로 형성한다.Referring to FIG. 4, the gate oxide layer 205 and the gate electrode 206 are sequentially formed on the resultant product of FIG. 3.

이때, 게이트 산화막(205) 형성시 실리콘 표면에 노출된 결정면이 다양하게 존재하므로 실리콘 산화속도가 실리콘 결정면에 무관한 방식의 산화법을 사용하는 것이 바람직하다.In this case, since there are various crystal planes exposed on the silicon surface when forming the gate oxide layer 205, it is preferable to use an oxidation method in which the silicon oxidation rate is independent of the silicon crystal plane.

그리고, 게이트 전극(206)은 후속 공정에서 잔류 될 게이트 전극 즉 형성하고자 하는 서라운딩 게이트 전극의 두께와 근사한 두께로 형성된다. 즉, 본 발명에서는 도 4에서와 같이 필라(204)의 표면을 전체적으로 감싸도록 증착된 게이트 전극(206) 중 일부를 서라운딩 게이트 전극으로 사용하기 때문에 게이트 전극(206)을 증착시 그 두께를 원하는 서라운딩 게이트 전극의 두께와 근사하게 형성한다.The gate electrode 206 is formed to have a thickness close to the thickness of the gate electrode to be left in the subsequent process, that is, the surrounding gate electrode to be formed. That is, in the present invention, since the portion of the gate electrode 206 deposited so as to surround the surface of the pillar 204 as a whole is used as the surrounding gate electrode, as shown in FIG. 4, the thickness of the gate electrode 206 is desired. It is formed to approximate the thickness of the surrounding gate electrode.

이때, 게이트 전극(206)은 다결정 실리콘을 기상 화학 증착법을 이용하여 형성할 수 있다. 이러한 경우, 증착과 동시에 다결정 실리콘에 인(Ph), 보론(B) 등을 도핑시킬 수 있다. 또한, 서라운딩 게이트 형태의 채널은 문턱전압이 매우 낮아지므로 게이트 전극(206)으로 Ti, TiN, TaN, W, Al, Cu, WSix 또는 이들이 조합된 금속형 물질이나 P형 폴리실리콘 등이 사용될 수 있다.In this case, the gate electrode 206 may be formed of polycrystalline silicon using a vapor phase chemical vapor deposition method. In this case, phosphorous (Ph), boron (B), or the like may be doped into the polycrystalline silicon simultaneously with the deposition. In addition, since the threshold voltage of the surrounding gate type channel is very low, Ti, TiN, TaN, W, Al, Cu, WSix, or a metal material or a P-type polysilicon thereof may be used as the gate electrode 206. have.

다음에, 도 5를 참조하면, 게이트 전극(206)을 건식 식각하여 상부와 하부의 게이트 전극을 제거함으로써 수직형 트랜지스터들 간의 게이트 전극 분리를 진행한다. 다음에 게이트 산화막(205)의 특성 회복을 위해 열처리 또는 측벽 산화 공정을 진행하는 것이 바람직하다.Next, referring to FIG. 5, the gate electrode 206 is dry etched to remove the upper and lower gate electrodes, thereby separating the gate electrodes between the vertical transistors. Next, in order to recover the characteristics of the gate oxide film 205, it is preferable to perform a heat treatment or a sidewall oxidation process.

다음에, 비트라인으로 사용할 전극(BBL)(207)을 형성하기 위해 N 타입 불순물을 사용하여 필라들(204) 사이의 실리콘 기판(201) 내에 이온 주입을 수행한다. 이때 주로 Ph와 As를 이온 주입시킨다.Next, ion implantation is performed in the silicon substrate 201 between the pillars 204 using N type impurities to form an electrode (BBL) 207 to be used as a bit line. At this time, Ph and As are mainly implanted with ions.

다음에, 도 6을 참조하면, 도 5의 결과물 상에 박막의 실리콘 질화막(208)을 증착하고 그 전면에 다시 절연막(209)을 증착한 후 절연막(209)을 식각하여 평탄화한다. 이때, 실리콘 질화막(208)은 SiH2Cl2와 NH3를 원료 가스하여 저압 화학 증착법(LP CVD) 또는 원자층 증착법(ALD:Atomic Layer Deposition)을 이용함으로써 그 두께를 용이하게 조절할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 이러한 실리콘 질화막(208)의 두께는 50 Å ∼ 200 Å 범위가 바람직하다.Next, referring to FIG. 6, a thin silicon nitride film 208 is deposited on the resultant of FIG. 5, an insulating film 209 is deposited on the entire surface thereof, and the insulating film 209 is etched to be flattened. In this case, the silicon nitride film 208 is a material gas of SiH 2 Cl 2 and NH 3 by using a low pressure chemical vapor deposition (LP CVD) or atomic layer deposition (ALD: Atomic Layer Deposition) to be able to easily control the thickness. desirable. The thickness of the silicon nitride film 208 is preferably in the range of 50 GPa to 200 GPa.

그리고, 절연막(209)으로는 BPSG(Boro-phospho Silicate Glass)막이 사용되는 것이 바람직하다.In addition, a BPSG (Boro-phospho Silicate Glass) film is preferably used as the insulating film 209.

다음에, 도 7을 참조하면, 질화막(208)을 식각 마스크로 사용하여 절연막(209) 및 실리콘 기판(201)을 순차적으로 식각함으로써 소자 분리를 위한 트렌치 T를 형성한다. 도 8은 도 7에 대한 평면도로, 불순물이 이온 주입된 전극(207)이 트렌치 T에 의해 분리되어 메트릭스 형태로 배열된 복수의 필라들(204)을 제 1 방향으로 전기적으로 연결시킴으로써 비트라인(BBL)을 형성하고 있음을 보여주고 있다.Next, referring to FIG. 7, a trench T for device isolation is formed by sequentially etching the insulating film 209 and the silicon substrate 201 using the nitride film 208 as an etching mask. FIG. 8 is a plan view of FIG. 7, in which an electrode 207 implanted with impurities is electrically connected in a first direction by electrically connecting a plurality of pillars 204 separated by a trench T and arranged in a matrix. BBL).

다음에, 도 9를 참조하면, 도 8에서 식각된 트렌치 T를 다시 절연막(210)으로 도포한다. 이때, 트렌치 T를 절연막(210)으로 도포하기 이전에 먼저 노출된 실리콘 표면을 열처리하여 열산화막(미도시)을 형성 공정을 진행하는 것이 바람직하다. 이러한 열산화는 200 ℃ ∼ 1000 ℃의 범위에서 O2, H2O, H2, O3 등의 기체가 포함된 분위기에서 실리콘을 산화시킨다.Next, referring to FIG. 9, the trench T etched in FIG. 8 is again applied to the insulating layer 210. At this time, before applying the trench T to the insulating film 210, it is preferable to proceed with a process of forming a thermal oxide film (not shown) by heat-treating the exposed silicon surface. This thermal oxidation is to oxidize the silicon in that contains a gas such as O 2, H 2 O, H 2, O 3 in the range of 200 ℃ ~ 1000 ℃ atmosphere.

이어서, 도 10을 참조하면, 도 9의 결과물에 대해 건식 식각을 수행하여 절 연막(209, 210)을 식각한다. 이때, 트렌치 T에 매립된 절연막(210)은 소정 깊이(후속 공정에서 서라운딩 게이트를 형성하고자 하는 깊이)까지만 식각을 진행한다.Subsequently, referring to FIG. 10, the insulation films 209 and 210 are etched by performing dry etching on the resultant of FIG. 9. At this time, the insulating film 210 buried in the trench T is etched only to a predetermined depth (depth to form a surrounding gate in a subsequent process).

다음에, 도 11을 참조하면, 도 10의 결과물에서 절연막(210)에 의해 매립되지 않은 부분의 질화막(208) 및 게이트 전극(206)을 순차적으로 제거한다. 이로써, 필라(204)의 상부(필라의 최상면으로부터 소정 정도 하향된 부분)는 게이트 전극(206)에 의해 둘러싸여지지 않게 된다. 즉, 후속 공정에 의해 필라(204)의 최상면에 형성될 스토리지 노드(LPC)와 서라운딩 게이트 전극(206)이 중첩되지 않도록 필라(204)의 상부에 오프셋부를 형성한다. 그리고, 질화막(208) 및 게이트 전극(206)을 식각하는 방법으로는 습식 식각과 같은 등방성 식각 방식을 진행하는 것이 바람직하다.Next, referring to FIG. 11, the nitride film 208 and the gate electrode 206 of the portion not embedded by the insulating film 210 in the resultant of FIG. 10 are sequentially removed. As a result, the upper portion of the pillar 204 (a portion downward from the uppermost surface of the pillar) is not surrounded by the gate electrode 206. That is, an offset portion is formed on the pillar 204 so that the storage node LPC and the surrounding gate electrode 206 to be formed on the top surface of the pillar 204 do not overlap by a subsequent process. As a method of etching the nitride film 208 and the gate electrode 206, an isotropic etching method such as wet etching is preferably performed.

다음에, 도 12를 참조하면, 도 11의 결과물에서 노출된 게이트 산화막(205) 즉 하드마스크 패턴(203)의 측벽 및 필라(204)에서 게이트 전극(206)으로 둘러싸이지 않은 측벽에 다시 실리콘 질화막(211)을 증착한다. 이때, 실리콘 질화막(211)의 두께는 기 증착된 실리콘 질화막(208) 보다 두껍도록 하는 것이 바람직하다.Next, referring to FIG. 12, the silicon nitride film is again exposed to the gate oxide film 205 exposed in the resultant product of FIG. 11, that is, the sidewall of the hard mask pattern 203 and the sidewall not surrounded by the gate electrode 206 in the pillar 204. (211) is deposited. In this case, the thickness of the silicon nitride film 211 may be thicker than the previously deposited silicon nitride film 208.

그리고, 소자 분리영역에 매립된 절연막(210)을 제거한다. Then, the insulating film 210 buried in the device isolation region is removed.

다음에, 도 13을 참조하면, 도 12의 결과물 상에 다시 전체적으로 절연막(212)을 증착한 후 평탄화를 진행한다.Next, referring to FIG. 13, after the insulating film 212 is entirely deposited on the resultant of FIG. 12, planarization is performed.

다음에, 도 14 및 도 15를 참조하면, 도 15에서와 같이 제 1 방향으로 연장되는 비트라인(207)의 패터닝과 교차되는 제 2 방향으로 서라운딩 게이트 전극(206)들을 연결하기 위한 다마신 워드라인(DWL)이 형성될 자리(213)를 패터닝한 후 도 14와 같이 절연막(212)을 식각한다.Next, referring to FIGS. 14 and 15, damascene for connecting the surrounding gate electrodes 206 in a second direction intersecting with the patterning of the bit line 207 extending in the first direction as in FIG. 15. After insulating the pattern 213 where the word line DWL is to be formed, the insulating layer 212 is etched as shown in FIG. 14.

다음에, 도 16을 참조하면, 도 14의 결과물에서 절연막(212)에 의해 노출된 질화막(208, 211)들 즉 기둥 측벽에 증착된 질화막(208, 211)들을 제거한다. 다음에, 그 결과물 상에 다마신 워드라인을 형성하기 위한 워드라인 전극물질(214)을 증착한 후 산화막(205)이 노출될 때까지 CMP(Chemical Mechanical Polishing)와 같은 평탄화 공정을 수행한다. 이때, 기 형성된 전극물질인 서라운딩 게이트 전극(206)과 워드라인 전극물질(214) 사이의 계면에 절연막이 형성되지 않도록 한다.Next, referring to FIG. 16, the nitride films 208 and 211 exposed by the insulating film 212, that is, the nitride films 208 and 211 deposited on the pillar sidewalls are removed from the resultant of FIG. 14. Next, after depositing a word line electrode material 214 for forming a damascene word line on the resultant, a planarization process such as chemical mechanical polishing (CMP) is performed until the oxide film 205 is exposed. In this case, an insulating layer may not be formed at an interface between the surrounding gate electrode 206 and the word line electrode material 214.

다음에, 도 17을 참조하면, 워드라인 전극물질(214)에 대해 건식 식각 공정을 진행하여 소정 깊이만큼 제거한다. 이때, 바람직하게는 도 17과 같이 워드라인 전극물질(214)을 서라운딩 게이트 전극(206)의 높이 만큼 식각하여 필라(204) 상부에 전극물질이 남지 않도록 한다.Next, referring to FIG. 17, a dry etching process is performed on the word line electrode material 214 to be removed to a predetermined depth. In this case, as shown in FIG. 17, the word line electrode material 214 is etched by the height of the surrounding gate electrode 206 so that the electrode material does not remain on the pillar 204.

다음에, 도 18을 참조하면, 도 17의 결과물 상에 절연막(215)을 형성한 후 절연막(215)과 하드마스크 패턴(203)을 제거하여 평탄화한다. 다음에, 그 결과물 상부에 식각 스토퍼(실리콘 질화막)(216) 및 절연막(217)을 형성한 후 식각 스토퍼(216) 및 절연막(217)을 선택적으로 제거하여 필라(204)의 표면을 노출시키는 개구부를 형성한다. 그리고, 그 개구부에 플러그 물질(예컨대, 불순물이 주입된 실리콘)을 매립함으로써 필라(204)와 전기적으로 연결되는 콘택 플러그(218)를 형성한다.Next, referring to FIG. 18, after forming the insulating film 215 on the resultant of FIG. 17, the insulating film 215 and the hard mask pattern 203 are removed and planarized. Next, an etch stopper (silicon nitride film) 216 and an insulating film 217 are formed on the resultant, and then the etching stopper 216 and the insulating film 217 are selectively removed to expose the surface of the pillar 204. To form. Then, the plug material (eg, silicon implanted with impurities) is embedded in the opening to form a contact plug 218 electrically connected to the pillar 204.

이어서, 콘택 플러그(218) 상에 스토리지 노드(미도시)를 형성한다.A storage node (not shown) is then formed on the contact plug 218.

이처럼, 본 발명은 종래와 같이 필라를 등방성 식각하여 서라운딩 게이트를 형성하지 않고, 스페이서를 형성 과정을 이용하여 필라 표면에 게이트 전극물질을 증착한 후 이를 부분적으로 제거하여 서라운딩 게이트를 형성함으로써 필라를 가늘게 형성하더라도 필라가 쓰러지는 현상을 최소화할 수 있다.As such, the present invention does not form a surrounding gate by isotropically etching the pillar as in the related art, and forms a surrounding gate by depositing a gate electrode material on the surface of the pillar using a spacer forming process and then partially removing the pillar. Even if the thinner is formed, the fall of the pillar can be minimized.

상술한 실시예에서는, 하드마스크 패턴(203)을 이용하여 실리콘 기판(201)을 식각함으로써 실리콘 기둥인 필라를 형성하는 방법을 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the above-described embodiment, a method of forming a pillar, which is a silicon pillar, by etching the silicon substrate 201 using the hard mask pattern 203 is not limited thereto.

예컨대, 실리콘 기판에 금(Au)을 증착하여 이를 촉매제를 사용하고 실란(silane) 가스 분위기에서 VLS(Vapor-Liquid-Solid) 공정을 수행함으로써 실리콘 기판 상에 원하는 소정의 높이까지 실리콘 기둥들을 성장시키는 융기된 소오스/드레인(Elevated Source-Drain) 방법을 사용할 수도 있다.For example, by depositing gold (Au) on a silicon substrate using a catalyst and performing a VLS (Vapor-Liquid-Solid) process in a silane gas atmosphere to grow silicon pillars to a desired height on the silicon substrate. Elevated Source-Drain methods can also be used.

도 1은 종래 수직형 반도체 소자에서 서라운딩 게이트 전극이 형성되기 전 필라(pillar)의 모습을 보여주는 도면.1 is a view illustrating a pillar before a surrounding gate electrode is formed in a conventional vertical semiconductor device.

도 2는 도 1에서 필라의 하부 외주면에 서라운딩 게이트가 형성된 모습을 보여주는 도면.2 is a view showing a surrounding gate is formed on the outer peripheral surface of the pillar in FIG.

도 3 내지 도 18은 본 발명에 따른 수직형 반도체 소자 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들.3 to 18 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a vertical semiconductor device in accordance with the present invention.

Claims (15)

실리콘 기판 상에 실리콘 기둥들을 형성하는 단계;Forming silicon pillars on the silicon substrate; 상기 실리콘 기둥들의 표면에 각 실리콘 기둥별로 전극이 분리된 게이트 전극을 형성하는 단계;Forming a gate electrode having electrodes separated from each other on the surfaces of the silicon pillars; 상기 실리콘 기둥들 사이의 상기 실리콘 기판 내에 매립 비트라인을 형성하는 단계;Forming a buried bitline in the silicon substrate between the silicon pillars; 상기 매립 비트라인 상부의 상기 실리콘 기둥들 사이에 상기 실리콘 기둥의 최상면 미만의 높이까지 제 1 절연막을 형성하는 단계; 및Forming a first insulating film between the silicon pillars on the buried bit line to a height less than a top surface of the silicon pillar; And 상기 제 1 절연막에 의해 노출된 상기 실리콘 기둥들의 상측 표면의 게이트 전극을 제거하여 서라운딩 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하는 수직형 반도체 소자 제조 방법.And removing a gate electrode on an upper surface of the silicon pillars exposed by the first insulating layer to form a surrounding gate electrode. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 실리콘 기둥들의 상부에 접속되는 스토리지 노드를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 반도체 소자 제조 방법.And forming a storage node connected to the upper portions of the silicon pillars. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 게이트 전극은 Ti, TiN, TaN, W, Al, Cu, WSix 및 이들의 조합 중 선택된 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 수직형 반도체 소자 제조 방법.Wherein the gate electrode is formed of any one selected from Ti, TiN, TaN, W, Al, Cu, WSix, and a combination thereof. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 게이트 전극은 등방성 식각 방식으로 제거되는 것을 특징으로 하는 수직형 반도체 소자 제조 방법.And the gate electrode is removed by an isotropic etching method. 제 1항에 있어서, 상기 실리콘 기둥 형성 단계는The method of claim 1, wherein the forming of the silicon pillar 실리콘 기판 상에 패드 산화막을 형성하는 단계;Forming a pad oxide film on the silicon substrate; 상기 패드 산화막 상에 하드마스크 패턴을 형성하는 단계; 및Forming a hard mask pattern on the pad oxide layer; And 상기 하드마스크 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상기 패드 산화막과 상기 실리콘 기판을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 반도체 소자 제조 방법.And etching the pad oxide layer and the silicon substrate by using the hard mask pattern as an etch mask. 제 1항에 있어서, 상기 게이트 전극 형성 단계는The method of claim 1, wherein the forming of the gate electrode is performed. 상기 실리콘 기둥들의 표면에 게이트 산화막을 형성하는 단계;Forming a gate oxide film on surfaces of the silicon pillars; 상기 게이트 산화막 상에 상기 게이트 전극물질을 증착하는 단계; 및Depositing the gate electrode material on the gate oxide film; And 상기 실리콘 기둥들 사이에 증착된 상기 게이트 전극물질을 제거하여 실리콘 기둥들 사이를 전극 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 반도체 소자 제조 방법.And removing the gate electrode material deposited between the silicon pillars to separate the electrodes between the silicon pillars. 제 6항에 있어서, 상기 게이트 전극물질 증착 단계는The method of claim 6, wherein the depositing of the gate electrode material is performed. 기상 화학 증착법을 이용하여 상기 게이트 산화막 상에 다결정 실리콘을 증착하는 것을 특징으로 하는 수직형 반도체 소자 제조 방법.And depositing polycrystalline silicon on the gate oxide film by using a chemical vapor deposition method. 제 7항에 있어서, 상기 게이트 전극물질 증착 단계는8. The method of claim 7, wherein depositing the gate electrode material 상기 다결정 실리콘을 증착시 상기 다결정 실리콘에 인(Ph) 또는 보론(B)을 도핑하는 것을 특징으로 하는 수직형 반도체 소자 제조 방법.A method of manufacturing a vertical semiconductor device, characterized in that when the polycrystalline silicon is deposited, the polycrystalline silicon is doped with phosphorus (Ph) or boron (B). 제 6항에 있어서, 상기 매립 비트라인 형성 단계는The method of claim 6, wherein the buried bit line forming step 상기 전극 분리된 실리콘 기둥들 사이의 실리콘 기판에 불순물을 이온 주입하여 비트라인 영역을 형성하는 단계;Forming a bit line region by ion implanting impurities into the silicon substrate between the electrode pillars; 상기 전극 분리된 게이트 전극 상에 질화막을 형성하는 단계; 및Forming a nitride film on the electrode separated gate electrode; And 상기 질화막을 식각 마스크로 상기 비트라인 영역을 제 1 방향으로 식각하여 소자 분리용 트렌치를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 반도체 소자 제조 방법.And etching the bit line region in the first direction using the nitride film as an etch mask to form a trench for device isolation. 제 9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 불순물 이온 주입은 인(Ph)와 비소(As)를 주입하는 것을 특징으로 하는 수직형 반도체 소자 제조 방법.The impurity ion implantation method of manufacturing a vertical semiconductor device, characterized in that the implantation of phosphorus (Ph) and arsenic (As). 제 9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 질화막은 SiH2Cl2 와 NH3를 원료 가스로 하여 저압 화학 증착법(LP CVD) 또는 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 수직형 반도체 소자 제조 방법.The nitride film is a vertical semiconductor device manufacturing method characterized in that formed by low pressure chemical vapor deposition (LP CVD) or atomic layer deposition (LP CVD) using a source gas of SiH 2 Cl 2 and NH 3 . 제 9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 질화막은 50 Å ∼ 200 Å 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 수직형 반도체 소자 제조 방법.The nitride film has a thickness in the range of 50 GPa to 200 GPa. 제 9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 질화막 및 게이트 전극물질 제거는 등방성 식각 방식을 사용하는 것을 특징으로 하는 수직형 반도체 소자 제조 방법.The nitride film and the gate electrode material is removed is a vertical semiconductor device manufacturing method, characterized in that using an isotropic etching method. 제 9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 제 1 절연막을 제거하는 단계;Removing the first insulating film; 상기 트렌치를 매립하며 상기 서라운딩 게이트 전극 하부의 높이까지 제 2 절연막을 형성하는 단계;Filling the trench and forming a second insulating layer to a height below the surrounding gate electrode; 상기 제 2 절연막에 의해 노출된 상기 질화막을 제거하는 단계; 및Removing the nitride film exposed by the second insulating film; And 상기 제 2 절연막상에 상기 서라운딩 게이트 전극들을 제 2 방향으로 연결하는 워드라인을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 반도체 소자 제조 방법.And forming a word line on the second insulating layer to connect the surrounding gate electrodes in a second direction. 상기 제 1항의 제조 방법을 이용하여 형성된 반도체 소자.A semiconductor device formed using the manufacturing method of claim 1.
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