KR20090130759A - Method of manufacturing transistor comprising omega type gate - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로써, 보다 자세하게는 오메가 게이트 트랜지스터 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method for manufacturing an omega gate transistor.
반도체 메모리 소자와 같은 반도체 소자의 집적도를 높이기 위한 방안 중의 하나는 트랜지스터의 사이즈를 줄이는 것이다. 그러나 트랜지스터의 사이즈를 줄이기 위해서는 소오스(source)와 드레인(drain) 사이의 거리를 줄이는 것이 불가피한데, 소오스와 드레인 사이의 거리를 줄이면, 드레인 필드(drain field)가 채널에 인가되는 게이트 필드(gate field)를 변조시키는 짧은 채널 효과(short channel effect)가 나타난다. 이러한 짧은 채널 효과는 게이트를 통한 채널 제어를 어렵게 하는데, 구체적으로는 펀치 쓰루(punch-through)나 DIBL(drain-induced barrier lowering), 문턱전압 롤 오프(threshold voltage roll-off)와 같은 전기적 특성 저하로 나타난다.One way to increase the integration of semiconductor devices, such as semiconductor memory devices, is to reduce the size of transistors. However, in order to reduce the size of the transistor, it is inevitable to reduce the distance between the source and the drain. When the distance between the source and the drain is reduced, a gate field is applied to the channel. Short channel effect appears. This short channel effect makes it difficult to control the channel through the gate, in particular electrical degradation such as punch-through, drain-induced barrier lowering (DIBL), and threshold voltage roll-off. Appears.
이러한 짧은 채널 효과는 소오스와 드레인 사이의 게이트 길이가 65nm이하가 되면서 증가되고, 그 결과 트랜지스터의 기본 기능인 스위칭 동작을 할 수 없게 될 수 있다.This short channel effect is increased as the gate length between the source and drain becomes less than 65 nm, and as a result, switching operation, which is a basic function of the transistor, may be impossible.
트랜지스터의 사이즈를 줄이는 과정에서 나타나는 짧은 채널 효과를 해결을 위해 채널 도핑(channel doping), 매우 얕은 접합(ultra-shallow junction), 게이트 절연막의 박막화(gate dielectric thinning)와 같은 여러 방법이 소개되고 있다. 그렇지만, 소오스와 드레인 사이의 게이트 길이가 65nm이하가 되면서 랜덤 도핑 문제(random doping problem)나 게이트 누설(gate leakage) 등과 같은 부수적인 문제점이 발생되고 있다.In order to solve the short channel effect in the process of reducing the transistor size, various methods such as channel doping, ultra-shallow junction, and gate dielectric thinning have been introduced. However, as the gate length between the source and the drain becomes less than 65 nm, additional problems such as random doping problem or gate leakage occur.
이러한 문제점과 함께 짧은 채널 효과를 해결하기 위한 방법으로 단위 면적 당 채널 조절능력(channel controllability)을 증가시키기 위해 3차원 게이트 구조를 갖는 트랜지스터, 곧 3차원 트랜지스터가 소개되고 있다.Along with this problem, a transistor having a three-dimensional gate structure, that is, a three-dimensional transistor, is introduced to increase channel controllability per unit area as a method for solving a short channel effect.
3차원 트랜지스터에는 오메가 게이트 트랜지스터(Omega gate transistor), 핀 전계 효과 트랜지스터(FinFET), 더블 게이트 트랜지스터(double gate transistor), 트리 게이트 트랜지스터(tri-gate transistor), 게이트 올 어라운드 트랜지스터(gate-all-around transistor) 등이 있다.Three-dimensional transistors include an omega gate transistor, a fin field effect transistor (FinFET), a double gate transistor, a tri-gate transistor, and a gate-all-around transistor. transistors).
이와 같은 3차원 트랜지스터들은 복수의 게이트를 이용하여 채널을 조절하므로 채널 조절능력이 증진된다.Such three-dimensional transistors adjust the channel using a plurality of gates, thereby improving channel control capability.
상기 3차원 트랜지스터 중에서 오메가 게이트 트랜지스터는 트리 게이트 트랜지스터에서 게이트 바디 아래에 언더 컷이 더 구비된 구조이고, 상기 언더 컷에 게이트가 확장되어 전체 게이트 영역이 보다 확장된 구조를 갖고 있다. 따라서 오메가 게이트 트랜지스터는 트리 게이트 트랜지스터에 비해 짧은 채널 효과가 적고 구동 전류(drive current)는 큰 것으로 알려져 있다. 그러나 균일성이나 재현성 확보를 위해서는 제조 공정을 보다 정확하게 세팅할 필요가 있다.Among the three-dimensional transistors, the omega gate transistor has a structure in which the under cut is further provided under the gate body in the tree gate transistor, and the gate is extended in the under cut to expand the entire gate region. Accordingly, it is known that an omega gate transistor has a shorter channel effect and a higher drive current than a tree gate transistor. However, to ensure uniformity and reproducibility, it is necessary to set the manufacturing process more accurately.
오메가 게이트 트랜지스터에서 기판은 주로 SOI(Silicon On Insulator) 기판이 사용된다. 현재 알려진 오메가 게이트 트랜지스터의 주요 제조 공정들은 활성영역을 한정하는 바디 패터닝(body patterning), 매립 산화막 과도식각(buried oxide over-etch) 공정 및 언더 컷팅(undercutting) 공정, 게이트 스택 증착(gate stack deposition) 공정, 게이트 패터닝(gate patterning) 공정, 소오스/드레인(source/drain) 공정 등이다.In the omega gate transistor, the substrate is mainly a silicon on insulator (SOI) substrate. Currently known major manufacturing processes for omega gate transistors include body patterning, buried oxide over-etch and undercutting processes, and gate stack deposition, which define active regions. Process, gate patterning process, source / drain process, and the like.
이와 같은 제조 공정으로 제작되는 오메가 게이트 트랜지스터의 경우, 게이트 패터닝 공정에서 게이트 스택 증착 공정에서 증착된, 게이트 전극으로 사용되는 게이트 도전층(gate conductor)이 패터닝 되는데, 문제는 게이트 바디 아래에 형성된 언더 컷에 증착된 상기 게이트 도전층은 상기 게이트 패터닝 공정에서 패터닝되지 않는다는 것이다. 따라서 상기 게이트 패터닝 공정 이후에도 게이트 영역 밖의 상기 언더 컷에는 상기 게이트 도전층이 존재하게 된다. 이 결과 소오스와 드레인 사이에 종종 쇼트(short)가 발생된다.In the case of an omega gate transistor fabricated by such a manufacturing process, a gate conductor used as a gate electrode, which is deposited in the gate stack deposition process in the gate patterning process, is patterned, and the problem is undercut formed under the gate body. The gate conductive layer deposited on is not patterned in the gate patterning process. Therefore, even after the gate patterning process, the gate conductive layer is present in the undercut outside the gate region. This often results in a short between the source and the drain.
이러한 문제를 해결하기 위하여 이방성 건식식각(isotropic dry etch)과 등방성 건식식각(unisotropic dry etch)을 이용한 2단계 건식식각공정을 실시할 수 있다.In order to solve this problem, a two-step dry etching process using anisotropic dry etching and isotropic dry etching may be performed.
그러나 상기 2단계 건식식각공정을 실시하는 경우에도 공정 재현성을 확보하기 어렵고, 건식식각에 의한 게이트 스택의 손상으로 게이트 누설이 발생할 수 있 다. 또한, 상기 건식식각에 의해 채널이 소오스/드레인 보다 높아지는 단차가 형성되어 저항이 커지는 바, 오메가 게이트 트랜지스터의 온 상태 전류(Ion)가 급격히 감소할 수 있고, 무엇보다도 공정 균일성(uniformity)을 확보하기 어려울 수 있다.However, even when performing the two-step dry etching process, it is difficult to secure process reproducibility, and gate leakage may occur due to damage of the gate stack by dry etching. In addition, the dry etching results in a step in which the channel becomes higher than the source / drain, resulting in a large resistance, and thus the on-state current I on of the omega gate transistor may be drastically reduced, and, above all, process uniformity. It can be difficult to secure.
본 발명은 균일성 혹은 재현성을 확보할 수 있고, 게이트 영역 밖의 언더 컷에 게이트 도전층이 잔류하는 것을 방지하면서 게이트의 손상을 방지하고, 채널과 소오스/드레인 사이에 단차가 형성되는 것을 방지하면서 소오스와 드레인 사이의 게이트 길이를 줄일 수 있는 오메가 게이트 트랜지스터 제조 방법을 제공한다.The present invention can ensure uniformity or reproducibility, prevent damage of the gate while preventing the gate conductive layer from remaining in the undercut outside the gate area, and prevent the formation of a step between the channel and the source / drain. The present invention provides a method for manufacturing an omega gate transistor that can reduce the gate length between a drain and a drain.
본 발명은 오메가 게이트 트랜지스터 제조 방법에서, 기판 상에 활성층을 형성하는 단계, 상기 활성층을 절연층으로 덮는 단계, 상기 절연층에 리소그라피 한계를 넘는, 상기 활성층 및 상기 기판의 일부가 노출되는 개구부를 형성하는 단계, 상기 노출된 활성층 아래에 언더 컷을 형성하는 단계, 상기 개구부와 상기 언더 컷을 통해 노출된 활성층에 게이트 절연막을 형성하는 단계 및 상기 게이트 절연막 상에 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하는 오메가 게이트 트랜지스터 제조방법을 제공한다.The present invention provides a method for manufacturing an omega gate transistor, the method comprising: forming an active layer on a substrate, covering the active layer with an insulating layer, and forming an opening in the insulating layer, the active layer and a portion of the substrate exposed beyond a lithography limit. Forming an under cut under the exposed active layer, forming a gate insulating film in the opening and the active layer exposed through the under cut, and forming a gate electrode on the gate insulating film. A method of manufacturing a gate transistor is provided.
이러한 제조 방법에서, 상기 개구부는 다단계(multi-step)로 형성할 수 있다.In this manufacturing method, the opening can be formed in a multi-step.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 개구부를 형성하는 단계는 상기 절연층 상에 상부 절연층을 형성하는 단계, 상기 상부 절연층에 상기 절연층의 일부를 노출시키고 상기 리소그라피로 형성할 수 있는 한계 폭을 갖는 제1 개구부를 형성하는 단계, 상기 제1 개구부의 직경을 좁히는 단계 및 직경이 좁아진 상기 제1 개구부를 통해 노출되는 상기 절연층을 식각하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present disclosure, the forming of the opening may include forming an upper insulating layer on the insulating layer, exposing a portion of the insulating layer to the upper insulating layer, and forming a limit width in the lithography. The method may further include forming a first opening having a diameter, narrowing the diameter of the first opening, and etching the insulating layer exposed through the narrowed first opening.
또한, 상기 개구부를 형성한 다음, 상기 언더 컷을 형성하기 전에 상기 개구부 측벽과 상기 개구부를 통해 노출되는 상기 활성층의 측면에 스페이서를 형성할 수 있다. 이때, 상기 게이트 절연막 형성 전에 상기 스페이서를 제거할 수 있다.In addition, after forming the opening, a spacer may be formed on the sidewall of the opening and the side surface of the active layer exposed through the opening before the undercut is formed. In this case, the spacer may be removed before the gate insulating layer is formed.
상기 게이트 전극을 형성하는 단계는 상기 절연층 상에 상기 게이트 절연막이 형성된 상기 개구부를 채우는 게이트 도전층을 형성하는 단계 및 상기 게이트 도전층을 패터닝하는 단계를 더 포함할 수 있다.The forming of the gate electrode may further include forming a gate conductive layer filling the opening in which the gate insulating layer is formed, and patterning the gate conductive layer on the insulating layer.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 게이트 절연막은 상기 개구부의 측벽과 상기 개구부를 통해 노출되는 부분을 덮도록 상기 절연층 상에 형성하고,According to another embodiment of the present invention, the gate insulating film is formed on the insulating layer to cover the sidewall of the opening and the portion exposed through the opening,
상기 게이트 절연막 상에 게이트 도전층을 형성한 다음,After forming a gate conductive layer on the gate insulating film,
상기 절연층이 노출될 때까지 상기 게이트 도전층을 평탄화하여 상기 게이트 전극을 형성할 수 있다.The gate electrode may be formed by planarizing the gate conductive layer until the insulating layer is exposed.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 게이트 도전층을 형성한 다음, 상기 평탄화를 실시하기 전에,According to another embodiment of the present invention, after the gate conductive layer is formed, and before the planarization,
상기 절연층과 상기 게이트 도전층과 상기 게이트 절연막을 포함하는 적층물에 상기 활성층이 노출되는 제2 개구부를 형성하는 단계, 상기 적층물 상에 상기 제2 개구부를 통해 노출된 부분을 덮는 제2 게이트 절연막을 형성하는 단계 및 상기 제2 게이트 절연막 상에 상기 제2 개구부를 채우는 제2 게이트 도전층을 형성하는 단계를 더 실시할 수 있고,Forming a second opening in the stack including the insulating layer, the gate conductive layer, and the gate insulating layer, the second opening exposing the active layer through the second opening on the stack; Forming an insulating film and forming a second gate conductive layer filling the second opening on the second gate insulating film,
상기 평탄화는 상기 제2 게이트 도전층부터 실시하여 상기 절연층이 노출될 때까지 실시할 수 있다.The planarization may be performed from the second gate conductive layer until the insulating layer is exposed.
상기 제1 개구부의 직경을 좁히는 단계는,Narrowing the diameter of the first opening,
상기 상부 절연층 상에 상기 제1 개구부의 측벽을 덮고 상기 제1 개구부를 통해 노출되는 부분을 덮는 스페이서 형성 물질층을 증착하는 단계 및 상기 상부 절연층과 상기 제1 개구부의 상기 절연층이 노출될 때까지 상기 스페이서 형성 물질층을 이방성 식각하는 단계를 더 포함할 수 있다.Depositing a spacer forming material layer on the upper insulating layer covering a sidewall of the first opening and covering a portion exposed through the first opening, and exposing the upper insulating layer and the insulating layer of the first opening. Anisotropically etching the spacer forming material layer may be further included.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 오메가 게이트 트랜지스터의 제조 방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.Hereinafter, a method of manufacturing an omega gate transistor according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In this process, the thicknesses of layers or regions illustrated in the drawings are exaggerated for clarity.
도 1 내지 도 19는 본 발명의 실시예에 의한 오메가 게이트 트랜지스터의 제조 방법을 단계별로 나타낸 단면도들이다.1 to 19 are cross-sectional views sequentially illustrating a method of manufacturing an omega gate transistor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 기판(40) 상에 도전층(42), 제1 절연층(44) 및 제2 절연층(46)을 순차적으로 적층한다. 기판(40)은 절연층일 수 있다. 후속 공정에서 도전층(42)에 소오스, 드레인 및 채널 영역이 설정된다. 도전층(42)은 도핑된 실리콘층일 수 있다. 기판(40)과 도전층(42)은 SOI 기판을 구성할 수 있다. 기판(40) 아래 에 하부 도전층이 구비될 수 있다. 제1 절연층(44)은 실리콘 산화물층으로 형성할 수 있다. 이때, 제1 절연층(44)은 1000Å의 두께로 형성할 수 있다. 제1 절연층(44)은 실리콘 산화물이외의 다른 절연 물질로 형성할 수도 있다. 제2 절연층(46)은 제1 절연층(44)과 식각 선택비가 다른 절연 물질로 형성할 수 있다. 예를 들면, 제2 절연층(46)은 실리콘 나이트라이드층으로 형성할 수 있다. 이때, 제2 절연층(46)은 1000Å정도의 두께로 형성할 수 있다. 제2 절연층(46)은 제1 절연층(44)과 식각 선택비가 다르다는 전제하에 실리콘 나이트라이드이외의 다른 절연물질로 형성할 수도 있다. Referring to FIG. 1, the
제2 절연층(46) 상에 마스크(M1)를 형성한다. 마스크(M1)는 감광막일 수 있으나, 하드 마스크일 수도 있다. 마스크(M1)는 도전층(42)에 활성영역을 한정하기 위한 것으로, 제1 내지 제3 영역(A1, A2, A3)을 포함한다. 제1 및 제2 영역(A1, A2)은 제3 영역(A3)에 비해 폭과 면적이 넓다. 제3 영역(A3)은 제1 및 제2 영역(A1, A2)을 연결한다. 제1 및 제2 영역(A1, A2) 중 어느 한 영역은 오메가 게이트 트랜지스터의 소오스 영역을 한정하고, 나머지 한 영역은 드레인 영역을 한정한다. 그리고 제3 영역(A3)은 오메가 게이트 트랜지스터의 채널 영역을 한정할 수 있다. The mask M1 is formed on the second insulating
이러한 마스크(M1)를 형성한 다음, 마스크(M1) 둘레의 제2 절연층(46), 제1 절연층(44) 및 도전층(42)을 순차적으로 식각한다. 이러한 식각은 기판(40)이 노출될 때까지 실시할 수 있다. 식각 후, 마스크(M1)를 제거한다. 상기 식각에 의해 마스크(M1)의 패턴은 제2 절연층(46), 제1 절연층(44) 및 도전층(42)에 그대로 전사 되어 상기 식각 후에는 도 2에 도시한 바와 같이 마스크(M1)와 동일한 패턴을 갖는 도전층(42)과 제1 및 제2 절연층(44, 46)이 형성된다.After the mask M1 is formed, the second insulating
도 3을 참조하면, 상기 식각에 의해 노출된 기판(40) 상에 마스크(M1)와 동일한 패턴을 갖는 도전층(42)과 제1 및 제2 절연층(44, 46)을 덮는 층간 절연층(48)을 형성한다. 층간 절연층(48)의 상부면을 제2 절연층(46)이 노출될 때까지 평탄화한다. 이러한 평탄화는, 예를 들면 화학적 기계적 연마(Chemicla Mechanical Polishing)를 이용하여 실시할 수 있다. 층간 절연층(48)은 실리콘 산화물층, 예를 들면 SiO2층으로 형성할 수 있다. 이때, 층간 절연층(48)은 고밀도 플라즈마(High Density Plasma) 증착 방식으로 형성할 수 있다.Referring to FIG. 3, an interlayer insulating layer covering the
도 4는 도 3의 평면도이다. 그리고 도 5a는 도 4를 5a-5a'방향으로 절개한 단면을 보여준다. 또한, 도 5b는 도 4를 5b-5b'방향으로 절개한 단면을 보여준다.4 is a plan view of FIG. 3. 5A is a cross-sectional view of FIG. 4 taken in the direction of 5a-5a '. In addition, FIG. 5B shows a cross-sectional view of FIG. 4 in the 5b-5b 'direction.
곧, 도 5a와 도 5b는 서로에 대해 직교하는 단면을 보여준다. 이하, 각 도면에서 a도는 도 5a와 같은 방향으로 절개한 단면을 보여주고, b도는 도 5b와 같은 방향으로 절개한 단면을 보여준다.5A and 5B show cross sections orthogonal to each other. Hereinafter, in each drawing, FIG. A shows a cross section cut in the same direction as FIG. 5A, and b shows a cross section cut in the same direction as FIG. 5B.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 제2 절연층(46) 상에 제3 절연층(50)을 형성한다. 제3 절연층(50)은 제2 절연층(46)과 동일한 물질층으로 형성할 수 있다. 이 경우, 제3 절연층(50)은 1200Å 정도의 두께로 형성할 수 있다.6A and 6B, a third insulating
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 제3 절연층(50)에 제2 절연층(46)의 일부가 노출되는 영역(52)을 형성한다. 제3 절연층(50)의 영역(52)을 통해서 노출되는 제2 절연층(46)의 일부는 도 1의 마스크(M1)의 제1 및 제2 영역(A1, A2)으로부터 이격 된, 제3 영역(A2)의 일부 영역에 대응된다. 후속 공정에서 게이트 전극은 제3 절연층(50)의 영역(52) 내에 형성되기 때문에, 게이트 전극을 형성하는 과정에서 채널 아래의 언더 컷에 형성되는 도전층에 의해 소오스와 드레인이 연결되는 경우는 발생되지 않는다. 곧, 소오스와 드레인 사이의 쇼트는 원천적으로 차단될 수 있다. 제3 절연층(50)의 제2 절연층(46)의 일부를 노출시키는 영역(52)은 라인 형태의 홀일 수 있다.7A and 7B, a
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 제3 절연층(50)의 영역(52)의 측벽에 스페이서(54)를 형성한다. 스페이서(54)는 스페이서 형성 물질층을 제3 절연층(50)의 표면에 형성한 다음, 상기 스페이서 형성 물질층을 이방성 식각하여 형성할 수 있다. 이때, 상기 이방성 식각은 층간 절연층(48)이 노출될 때까지 실시할 수 있다. 상기 이방성 식각은 층간 절연층(48)에 대한 상기 스페이서 형성 물질층의 식각 선택비가 높은 식각 조건으로 실시한다. 상기 이방성 식각은 스페이서(54)의 완전한 형성을 위해서 층간 절연층(48)이 노출된 후에도 주어진 시간만큼 더 실시할 수 있다. 곧, 상기 이방석 식각에서 과도 식각이 있을 수 있다. 상기 스페이서 형성 물질층은 제2 절연층(46)과 동일할 수 있다. 스페이서(54)가 형성됨으로써, 제3 절연층(50)의 영역(52)의 폭은 좁아진다. 이에 따라 후속 공정에서 형성될 게이트 폭 또한 좁아진다. 따라서 게이트 아래의 채널의 길이 또한 짧아진다. 상기 스페이서 형성 물질층의 증착 두께에 따라 스페이서(54) 하단의 두께가 달라지므로, 상기 스페이서 형성 물질층의 증착 두께를 조절함으로써, 게이트의 폭과 채널의 길이를 조절할 수 있다. 또한, 스페이서(54) 형성 공정은 자기 정렬(self alignment) 공정이 다. 따라서 제3 절연층(50)의 영역(52)의 폭이 사진식각공정(lithography)으로 형성할 수 있는 한계라 할 때, 예컨대 제3 절연층(50)의 영역(52)의 폭이 KrF 광원을 사용하는 노광장치를 이용한 사진식각공정으로 형성할 수 있는 최소 폭(예:180nm)이라 할 때, 제3 절연층(50)의 영역(52)에 스페이서(54)를 형성함으로써, 제3 절연층(50)의 영역(52)의 폭은 상기 최소 폭보다 좁아지게 된다. 곧, 스페이서(54)가 형성됨으로써, 제3 절연층(50)의 영역(52)은 사진식각공정의 한계를 넘어서는 폭을 가질 수 있다. 이것은 곧 사진식각공정의 한계를 넘어서는 폭을 갖는 게이트를 형성할 수 있고, 사진식각공정으로 구현할 수 없는 길이를 갖는 채널을 형성할 수도 있음을 의미하는 것이다. 8A and 8B, spacers 54 are formed on sidewalls of the
다음, 스페이서(54) 형성 후, 도 8b와 도 9b에서 볼 수 있듯이, 층간 절연층(48)의 일부 두께를 식각한다. 이러한 식각은 층간 절연층(48)의 상부면의 높이가 도전층(42)과 같은 높이가 될 때까지 실시한다. 이와 같은 식각은 제2 절연층(46), 제3 절연층(50) 및 스페이서(54)에 대해서 층간 절연층(48)의 식각률이 높은 식각 조건으로 실시한다.Next, after the
다음, 제3 절연층(50)의 스페이서(54)가 형성된 영역(open portion)(52)을 통해서 노출되는 제2 절연층(46)을 식각한다. 제2 절연층(46)과 제3 절연층(50)과 스페이서(54)는 동일 물질이다. 그러므로 제2 절연층(46)의 노출된 부분이 식각되는 동안 제3 절연층(50)과 스페이서(54)도 함께 식각된다. 제3 절연층(50)의 두께가 제2 절연층(46)보다 두꺼울 경우, 상기 식각 후에도 제3 절연층(50)의 일부가 남을 수 있다. 상기 식각은 제1 절연층(44)이 노출될 때까지 실시할 수 있다. 이러 한 식각에 의해 제2 절연층(46)에는 도 10a에 도시한 바와 같이 제1 절연층(44)이 노출되는 영역(56)이 형성된다. 영역(56)은 라인 형태의 홀(open portion)일 수 있다. 이와 같은 식각은 이방성 식각일 수 있다. 따라서 제3 절연층(50)의 스페이서(54)가 형성된 영역(52)의 형태는 제2 절연층(46)에 형성되는 영역(56)에 그대로 전사된다. 도 10a 및 도 10b는 상기 식각의 결과를 보여준다.Next, the second insulating
다음, 도 10a 및 도 10b를 참조하면, 제2 절연층(46)과 그 위에 남은 제3 절연층(50)을 식각 마스크로 사용하여 둘레의 층간 절연층(48)과 제2 절연층(46)에 형성된 영역(56)을 통해서 노출되는 제1 절연층(44)을 식각한다. 층간 절연층(48)과 제1 절연층(44)은 동일 물질일 수 있다. 그러므로 상기 식각은 제2 및 제3 절연층(46, 50)에 대해서 층간 절연층(48) 및 제1 절연층(44)의 식각률이 높은 식각 조건으로 실시할 수 있다. 식각은 도전층(42)과 기판(40)이 노출될 때까지 실시할 수 있다. 도전층(42) 둘레에 남아 있는 층간 절연층(48)의 두께는 앞에서 실시한 식각에 의해 제1 절연층(44)의 두께와 유사하다. 그러므로 상기 식각에서 도전층(42)과 기판(40)은 동일한 시간에 노출될 수 있다. 이에 따라 상기 식각에서 도전층(42)의 상부면이 과도하게 식각되는 것을 방지할 수 있고, 그 결과 채널과 소오스/드레인 사이에 채널이 높아지는 단차가 형성되는 것을 방지할 수 있다. Next, referring to FIGS. 10A and 10B, the
이러한 식각으로 도 11a 및 도 11b에 도시한 바와 같이 제1 절연층(44)에 도전층(42)이 노출되는 영역(open portion)(58)이 형성되고, 영역(58) 내에 존재하는 기판(40) 상에 형성된 층간 절연층(48)은 제거된다. 따라서 제1 절연층(44)의 영역(58)을 통해서 도전층(42)의 일부와 기판(40)의 일부가 노출된다. 도전층(42)의 노출된 부분은 도 1의 마스크(M1)의 제3 영역(A3)에 대응되는 도전층(42)의 제3 영역(AA3) 중 일부이다. 도전층(42)의 제1 및 제2 영역(AA1, AA2)은 각각 도 1의 마스크(M1)의 제1 및 제2 영역(A1, A2)에 대응된다. 도전층(42)의 노출된 부분은 소오스 영역이나 드레인 영역으로 사용될 제1 및 제2 영역(AA1, AA2)과 이격되어 있다. 따라서 도전층(42)의 노출된 영역에 후속 공정에서 게이트 전극 물질이 증착되더라도 상기 게이트 전극 물질은 소오스 및 드레인 영역과 연결될 수 없다. 따라서 소오스 및 드레인 영역 사이의 쇼트를 방지할 수 있다.11A and 11B, an
다음, 도 12a 및 도 12b를 참조하면, 제1 절연층(44)의 도전층(42)이 노출되는 영역(58)의 측벽에 스페이서(60)를 형성한다. 스페이서(60)는 영역(58)의 측벽 전체를 완전히 덮도록 형성한다. 스페이서(60)를 이렇게 형성함으로써, 후속 언더 컷 형성을 위한 습식 식각공정에서 제1 절연층(44)이 노출되어 식각되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라 상기 습식 식각공정에서 채널의 길이가 변하는 것을 방지할 수 있다. 이러한 스페이서(60)는 영역(58)을 통해서 노출되는 도전층(42)의 측면에도 형성한다. 스페이서(60)는 도 8a에 도시한 스페이서(54)를 형성할 때와 동일한 방식으로 형성할 수 있다. 스페이서(60)는 제2 절연층(46)과 동일한 물질로 형성할 수 있다.Next, referring to FIGS. 12A and 12B,
다음, 도 13a 및 도 13b를 참조하면, 스페이서(60) 형성 후에 도전층(42) 아래에 언더 컷(64)을 형성한다. 언더 컷(64)을 통해서 도전층(42)의 밑면 중 측면에 가까운 부분이 노출된다. 언더 컷(64)은 제1 절연층(44)에 형성된 영역(58)을 통해서 노출된 기판(40)을 습식식각하여 형성할 수 있다. 습식식각률을 조절하여 언더 컷(64)을 원하는 크기로 조절할 수 있다. 기판(40)이 실리콘 산화물일 때, 상기 습식식각은 희석된 불화수소산(diluted hydrofluoric acid)을 에천터(etchant)로 사용하여 실시할 수 있다.Next, referring to FIGS. 13A and 13B, an undercut 64 is formed under the
다음, 상기 습식식각 후, 제3 절연층(50), 제2 절연층(46) 및 스페이서(60)를 습식식각한다. 제3 절연층(50), 제2 절연층(46) 및 스페이서(60)가 실리콘 질화물일 때, 상기 습식식각은 에쳔터로서 인산을 사용하여 실시할 수 있다. 도 14a 및 도 14b는 이러한 습식식각 후의 결과물을 보여준다.Next, after the wet etching, the third insulating
계속해서, 도 15a 및 도 15b를 참조하면, 제1 절연층(44)의 영역(58)을 통해 노출된 그리고 언더 컷(64)을 통해 노출된 도전층(42)의 전체면에 게이트 절연막(66)을 형성한다. 게이트 절연막(66)은 실리콘 산화막으로 형성할 수 있다. 게이트 절연막(66)은 또한 HfO2막, Al2O3막, La2O3막, ZrO2막, HfSiO막, HfSiON막, HfLaO막, LaAlO막, SrTiO막 등과 같은 고 유전상수를 갖는 유전막을 형성할 수도 있다.이 경우, 게이트 절연막(66)은 원자층 증착(Atomic Layer Deposition) 방식으로 형성할 수 있다.15A and 15B, the gate insulating film may be formed on the entire surface of the
도 16a 및 도 16b를 참조하면, 제1 절연층(44)과 층간 절연층(48) 상에 영역(58)을 채우는 게이트 도전층(68)을 형성한다. 게이트 도전층(68)은 패터닝 후 게이트 전극으로 사용된다. 게이트 도전층(68)은 도핑된 폴리 실리콘층일 수 있다. 게이트 도전층(68)은 또한 W층, TaN층, HfN층 또는 TiN층으로 형성할 수도 있다. 게이트 도전층(68)은 화학 기상증착법(CVD), 원자층 증착법(ALD) 또는 스퍼터링(Sputtering)법으로 형성할 수 있다.16A and 16B, a gate
이와 같이 게이트 도전층(68)을 형성한 다음, 게이트 도전층(68)을 패터닝하여 도 17a 및 도 17b에 도시한 바와 같은 게이트 전극(68A)을 형성한다. 게이트 전극(68A)은 소오스 및 드레인 영역 사이에 위치하는 라인 형태이다. After the gate
도 17a 및 도 17b를 참조하면, 게이트 전극(68A)을 형성한 다음, 도전층(42) 상에 형성된 제1 절연층(44)을 제거한다. 제1 절연층(44)은 습식식각을 이용하여 제거할 수 있다. 층간 절연층(48)은 제1 절연층(44)과 동일한 물질이므로, 제1 절연층(44)을 제거하면서 기판(40) 상에 남아 있는 층간 절연층(48)도 함께 제거될 수 있다.17A and 17B, after forming the
이렇게 해서, 도 18a 및 도 18b에 도시한 바와 같이 도전층(42)의 제1 및 제2 영역(AA1, AA2)이 노출된다. 도 19는 제1 및 제2 영역(AA1, AA2)이 노출될 결과물에 대한 평면도이다. 도 18a는 도 19를 18A-18A'방향으로 절개한 단면도이다. In this way, as shown in FIGS. 18A and 18B, the first and second regions AA1 and AA2 of the
도전층(42)의 제1 및 제2 영역(AA1, AA2)이 노출된 후, 제1 및 제2 영역(AA1, AA2)에 이온을 주입하는 공정이나 실리사이드 형성 공정, 콘택 공정 등이 실시될 수 있다.After the first and second regions AA1 and AA2 of the
한편, 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 게이트 절연막과 게이트 전극은 다마신 공정을 적용하여 형성할 수도 있다.Meanwhile, according to another embodiment of the present invention, the gate insulating film and the gate electrode may be formed by applying a damascene process.
도 20a 및 도 20b를 참조하면, 제1 절연층(44)에 도전층(42)이 노출되는 영역(58)을 형성하고 언더 컷(64)을 형성하는 단계까지는 상술한 바와 동일하게 실시할 수 있다.20A and 20B, the same steps as described above may be performed until the
제1 절연층(44)에 영역(58)을 형성한 후, 제1 절연층(44) 상에 영역(58)의 측벽을 덮고, 영역(58)을 통해서 노출되는 도전층(42)의 상부면 및 측면과 기판(40)의 노출된 부분을 덮으며, 언더 컷(64)을 통해 노출되는 도전층(42)의 밑면을 덮는 게이트 절연막(70)을 형성한다. 게이트 절연막(70)은 상술한 게이트 절연막(66)과 동일할 수 있다. 게이트 절연막(70) 상에 제1 절연층(44)의 영역(58)을 채우는 게이트 도전층(72)을 형성한다. 게이트 도전층(72)은 상술한 게이트 도전층(68)과 동일할 수 있다. 게이트 도전층(72)을 평탄화한다. 평탄화는 제1 절연층(44)이 노출될 때까지 실시할 수 있다. 상기 평탄화는 CMP를 이용하여 실시할 수 있다.After forming the
도 21a 및 도 21b를 참조하면, 상기 평탄화에 의해, 제1 절연층(44) 상에서 게이트 절연막(70) 및 게이트 도전층(72)이 제거되고, 게이트 도전층(72)은 제1 절연층(44)의 영역(58)에만 존재하게 된다. 제1 절연층(44)의 영역(58)에만 존재하는 게이트 도전층(72)은 게이트 전극으로 사용된다. 상술한 습식식각 방법으로 제1 절연층(44)을 제거하여 도전층(42)의 제1 및 제2 영역(AA1, AA2)을 노출시킨다. 이후의 공정은 상술한 바와 같다.21A and 21B, by the planarization, the
이와 같은 다마신 공정을 이용할 경우, 평탄화 과정을 통해서 자기 정렬적으로 게이트 전극이 형성되기 때문에, 게이트 패터닝을 위한 별도의 정렬 공정이 필요하지 않다. 그러므로 게이트 패터닝 과정에서 발생할 수 있는 정렬 에라(mis-align)를 방지할 수 있다.When using such a damascene process, since the gate electrode is formed self-aligned through the planarization process, a separate alignment process for gate patterning is not necessary. Thus, misalignment that may occur during gate patterning may be prevented.
게이트 전극(72)을 형성하는데 적용한 다마신 공정은 CMOS 트랜지스터를 형성하는데 적용할 수도 있는데, 도 23 내지 도 26은 그에 대한 일예를 보여준다. The damascene process applied to form the
도 23 내지 도 26은 상기 다마신 공정이 적용된 CMOS 트랜지스터 제조 방법을 단계별로 보여준다. 도 23 내지 도 26에서는 편의 상 도전층(42)에 평행한 방향으로 도전층(42)을 절개한 단면만 도시하였다. 또한, 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다.23 to 26 show step by step a method of manufacturing a CMOS transistor to which the damascene process is applied. For convenience, only the cross section in which the
도 23을 참조하면, 제1 절연층(44)에 도전층(42)이 노출되는 영역(58)을 형성하는 단계와 영역(58)을 통해서 노출되는 도전층(42) 아래에 언더 컷을 형성하는 단계까지는 상술한 바와 동일할 수 있다.Referring to FIG. 23, forming a
제1 절연층(44) 상에 영역(58)의 측벽을 덮고, 영역(58)을 통해 노출되는 도전층(42)을 덮는 게이트 절연막(70)을 형성한다. 게이트 절연막(70) 상에 영역(58)을 채우는 게이트 도전층(72)을 형성한다. 이하, 게이트 절연막(70)과 게이트 도전층(72)을 각각 제1 게이트 절연막과 제1 게이트 도전층이라 한다. 제1 게이트 절연막(70)은 상술한 고 유전상수의 유전막으로 형성할 수 있다. 제1 게이트 도전층(72)은 n-MOS 트랜지스터용 게이트 전극으로 사용된다. 제1 게이트 도전층(72)은 W2N층, TaSiN층, (RE)TaN층 또는 WC층으로 형성할 수 있다.A
도 24를 참조하면, 제1 절연층(44), 제1 게이트 절연막(70) 및 제1 게이트 도전층(72)으로 이루어진 적층물에 도전층(42)이 노출되는 영역(74)을 형성한다. 영역(74)은 제1 절연층(44)에 형성된 영역(58)과 동일한 방식으로 형성할 수 있다. 영역(74)이 형성되는 제1 절연층(44), 제1 게이트 절연막(70) 및 제1 게이트 도전층(72)으로 이루어진 상기 적층물은 영역(58)이 형성되는 제1 절연층(44)에 대응된다. 이하, 편의 상 제1 절연층(44)에 형성된 영역(58)을 제1 영역이라 하고, 상기 적층물에 형성된 영역(74)을 제2 영역이라 한다. 제2 게이트 도전층(72) 상에 제2 영역(74)의 측벽을 덮고, 제2 영역(74)을 통해 노출되는 도전층(74)을 덮는 제2 게이트 절연막(76)을 형성한다. 제2 게이트 절연막(76)은 제1 게이트 절연막(70)과 동일할 수 있다. 제2 게이트 절연막(76) 상에 제2 영역(74)을 채우는 제2 게이트 도전층(78)을 형성한다. 제2 게이트 도전층(78)은 p-MOS 트랜지스터의 게이트 전극으로 사용된다. 제2 게이트 도전층(78)은 TiAlN층, MoN층 또는 TaCN층 등으로 형성할 수 있다.Referring to FIG. 24, a
다음, 제2 게이트 도전층(78)을 평탄화한다. 평탄화는 제1 절연층(44)이 노출될 때까지 실시한다. 이러한 평탄화는 CMP를 이용하여 실시할 수 있다. 이와 같은 평탄화 결과, 도 25에 도시한 바와 같이 제1 절연층(44)의 상부면 위에 형성된 제1 게이트 절연막(70), 제1 게이트 도전층(72), 제2 게이트 절연막(76) 및 제2 게이트 도전층(78)이 제거된다. 상기 평탄화 후에 제1 게이트 도전층(72)은 제1 영역(58)에만 존재하고, 제2 게이트 도전층(78)은 제2 영역(74)에만 존재한다. 제1 영역(58)을 채운 제1 게이트 도전층(72)은 n-MOS 트랜지스터의 게이트 전극이다. 그리고 제2 영역(74)을 채운 제2 게이트 도전층(78)은 p-MOS 트랜지스터의 게이트 전극이다.Next, the second gate
다음, 습식식각으로 제1 절연층(44)을 제거한다. 도 26은 제1 절연층(44)을 제거한 후의 결과물을 보여준다. 제1 절연층(44)을 제거한 후, 도전층(42)에 트랜지스터 형태별로 소오스 및 드레인을 형성하기 위한 이온 주입 공정을 실시할 수 있다. 그리고 후속 공정으로 접촉 저항을 낮추기 위한 실리사이드 공정과 소오스/ 드레인 콘택을 위한 콘택 형성 공정 등이 실시될 수 있다.Next, the first insulating
도 26에서 참조부호 T1은 n-MOS 트랜지스터 영역을, T2는 p-MOS 트랜지스터 영역을 나타낸다.In FIG. 26, reference numeral T1 denotes an n-MOS transistor region and T2 denotes a p-MOS transistor region.
도 23 내지 도 25에 도시한 바와 같이, 게이트 전극(72, 78)을 형성하는데 다마신 공정을 이용하면, 건식식각을 이용하여 게이트 전극을 형성하는 경우에 비해 다음과 같은 이점이 있다.As shown in FIGS. 23 to 25, the damascene process for forming the
곧, 게이트 전극을 형성하기 위해 건식식각으로 게이트 도전층을 패터닝하는 경우, 게이트 도전층으로 사용되는 물질에 따라 건식식각공정을 매번 튜닝해야하는 번거로움이 있는 반면, 다마신 공정을 이용하여 게이트 전극을 형성하는 경우는 게이트 도전층과 게이트 절연막을 평탄화하기 때문에, 공정을 매번 튜닝해야할 필요가 없다. 또한, 다마신 공정을 이용하면 자기 정렬적 방법으로 게이트 전극을 형성할 수 있는 바, 정렬 에라를 방지할 수 있다.In other words, when the gate conductive layer is patterned by dry etching to form the gate electrode, it is troublesome to tune the dry etching process every time according to the material used as the gate conductive layer. In the case of forming, since the gate conductive layer and the gate insulating film are planarized, it is not necessary to tune the process every time. In addition, when the damascene process is used, the gate electrode may be formed in a self-aligned method, thereby preventing alignment errors.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 오메가 게이트 트랜지스터 제조 과정에서 소개된 트랜지스터의 구성 요소들에 대해서 상술한 물질외의 다른 물질을 사용할 수도 있을 것이다.While many details are set forth in the foregoing description, they should be construed as illustrative of preferred embodiments, rather than to limit the scope of the invention. For example, one of ordinary skill in the art may use materials other than those described above for the components of the transistors introduced in the process of manufacturing the omega gate transistor.
또한, 상술한 오메가 게이트 트랜지스터 제조 방법에서 언더 컷을 형성하는 다른 방법이 있을 수 있다.In addition, there may be another method of forming an undercut in the above-described method of manufacturing an omega gate transistor.
예를 들면, 도 27에 도시한 바와 같이 기판(40) 상에 직접 도전층(42)을 형 성하는 대신, 도전층(42)과 기판(40) 사이에 도전층(42)보다 폭이 작은 절연층(80)을 형성한다. 절연층(80)은 기판(40)과 동일한 물질일 수도 있고, 습식식각에 대해서 기판(40)과 유사한 식각률을 갖는 물질일 수도 있다. 절연층(80) 둘레는 습식식각에 대해서 기판(40)과 절연층(80)보다 식각률이 높은 물질로 채운다. 이후, 도전층(42)을 절연층(80) 상에 형성하고, 상술한 바에 따라 언더 컷을 형성하기 전 단계까지 진행한다. 이어서 절연층(80) 둘레에 채워진 물질(82)을 습식식각으로 제거하면 도 28에 도시한 바와 같이 도전층(42) 아래에 언더 컷(84)이 형성된다. 언더 컷(84) 형성 후의 공정은 도 13b의 언더 컷(64)이 형성된 이후와 동일하게 진행할 수 있다.For example, instead of forming the
언더 컷을 형성하는 또 다른 방법이 있을 수 있다.There may be another way to form the under cut.
구체적으로, 도 29에 도시한 바와 같이 언더 컷 형성시에 습식식각으로 제거될 기판(40)의 일부를 도전층(42) 형성 전에 미리 제거한다. 이렇게 해서 기판(40)은 도전층(42)이 형성될 돌기(40P)를 갖는 구조가 된다. 돌기(40P)의 폭은 형성될 도전층(42)의 폭보다 좁다. 이어서 도 30에 도시한 바와 같이, 기판(40)의 일부가 제거된 자리에 기판(40)보다 습식식각에 대한 식각률이 높은 물질(90)을 채운다. 이후, 돌기(40P)를 덮는 도전층(42)을 형성한 다음, 상술한 바에 따라 언더 컷 형성 전 단계까지 진행한다. 이후, 도 31 및 도 32에 도시한 바와 같이, 기판(40)의 일부가 제거된 자리에 채워진 물질(90)을 습식식각한다. 이 결과 도 32에서 볼 수 있듯이 도전층(42) 아래에 언더 컷(94)이 형성된다.Specifically, as shown in FIG. 29, a portion of the
이와 같은 본 발명은 다양하게 변형될 수 있으므로, 본 발명의 범위는 설명 된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다. Since the present invention can be variously modified, the scope of the present invention should be determined by the technical spirit described in the claims rather than by the described embodiments.
도 1 내지 도 19는 본 발명의 실시예에 의한 오메가 게이트 트랜지스터의 제조 방법을 단계별로 나타낸 단면도들이다.1 to 19 are cross-sectional views sequentially illustrating a method of manufacturing an omega gate transistor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 20a 및 도 20b 내지 도 22a 및 도 22b는 다마신(damascene) 공정을 적용한 게이트 전극 형성 방법을 단계별로 나타낸 단면도들이다.20A and 20B to 22A and 22B are cross-sectional views illustrating a method of forming a gate electrode to which a damascene process is applied.
도 23 내지 도 26은 다마신 공정을 적용하여 p형 게이트 전극과 n형 게이트 전극을 형성하는 CMOS 제조 방법을 나타낸 단면도들이다.23 to 26 are cross-sectional views illustrating a method of fabricating a CMOS for forming a p-type gate electrode and an n-type gate electrode by applying a damascene process.
도 27 및 도 28은 본 발명의 실시예에 의한 오메가 게이트 트랜지스터 제조 방법에서 언더 컷을 형성하는 변형예를 보여주는 단면도들이다.27 and 28 are cross-sectional views illustrating a modified example of forming an undercut in the method of manufacturing an omega gate transistor according to an embodiment of the present invention.
도 29 내지 도 32는 본 발명의 실시예에 의한 오메가 게이트 트랜지스터 제조 방법에서 언더 컷을 형성하는 다른 변형예를 보여주는 단면도들이다.29 to 32 are cross-sectional views illustrating another modified example of forming an undercut in the method of manufacturing an omega gate transistor according to an embodiment of the present invention.
*도면의 주요 부분에 대한 부호설명** Description of Signs of Major Parts of Drawings *
40:기판 42:도전층(활성층)40: substrate 42: conductive layer (active layer)
44, 46, 50:제1 내지 제3 절연층 48:층간 절연층44, 46, 50: first to third insulating layers 48: interlayer insulating layers
52, 56, 58:개구부(open portion) 54, 60:스페이서52, 56, 58:
64, 84, 94:언더 컷(undercut) 66, 70, 76:게이트 절연막64, 84, 94: undercut 66, 70, 76: gate insulating film
68, 72, 78:게이트 도전층 68A:게이트 전극68, 72, 78: gate
80:절연층 82:절연층(80) 둘레를 채운 물질80: insulating layer 82: material filled around the insulating layer (80)
40P:돌기(돌출부) 40P: protrusion (projection part)
90:기판(40)의 일부가 제거된 자리를 채우는 물질90: a material filling a place where a portion of the
A1, AA1:제1 영역 A2, AA2:제2 영역A1, AA1: first region A2, AA2: second region
A3, AA3:제3 영역A3, AA3: third region
Claims (9)
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KR1020080056528A KR20090130759A (en) | 2008-06-16 | 2008-06-16 | Method of manufacturing transistor comprising omega type gate |
Applications Claiming Priority (1)
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KR1020080056528A KR20090130759A (en) | 2008-06-16 | 2008-06-16 | Method of manufacturing transistor comprising omega type gate |
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Family Applications (1)
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KR1020080056528A KR20090130759A (en) | 2008-06-16 | 2008-06-16 | Method of manufacturing transistor comprising omega type gate |
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