(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024127787
(43)【公開日】2024-09-20
(54)【発明の名称】半導体素子
(51)【国際特許分類】
H10B 12/00 20230101AFI20240912BHJP
H01L 21/336 20060101ALI20240912BHJP
【FI】
H10B12/00 671Z
H10B12/00 671B
H01L29/78 301B
H01L29/78 301V
H01L29/78 301X
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2024022705
(22)【出願日】2024-02-19
(31)【優先権主張番号】10-2023-0031370
(32)【優先日】2023-03-09
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(71)【出願人】
【識別番号】390019839
【氏名又は名称】三星電子株式会社
【氏名又は名称原語表記】Samsung Electronics Co.,Ltd.
【住所又は居所原語表記】129,Samsung-ro,Yeongtong-gu,Suwon-si,Gyeonggi-do,Republic of Korea
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100229448
【弁理士】
【氏名又は名称】中槇 利明
(72)【発明者】
【氏名】丁 海仁
(72)【発明者】
【氏名】張 成豪
(72)【発明者】
【氏名】權 志碩
(72)【発明者】
【氏名】金 承喚
(72)【発明者】
【氏名】洪 承湖
【テーマコード(参考)】
5F083
5F140
【Fターム(参考)】
5F083AD11
5F083JA03
5F083JA05
5F083JA13
5F083JA14
5F083JA19
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5F083JA37
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5F140AC28
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5F140BA05
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5F140BF30
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5F140BG37
5F140BJ08
5F140BJ17
5F140BJ20
5F140BK13
5F140CB04
5F140CC03
(57)【要約】
【課題】信頼性及び電気的特性が向上された半導体素子を提供する。
【解決手段】本発明の実施形態による半導体素子は第1半導体物質を含む半導体基板、前記半導体基板の上のゲート構造体、及び前記半導体基板及び前記ゲート構造体の間の第2半導体物質を含む半導体パターンを含む。前記半導体パターンは前記半導体基板と接触する。前記ゲート構造体は前記半導体パターンの一部を貫通し、前記半導体基板と離隔する。前記第1半導体物質は前記第2半導体物質と互いに異なる。
【選択図】
図3
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1半導体物質を含む半導体基板と、
前記半導体基板の上のゲート構造体と、
前記半導体基板及び前記ゲート構造体の間の第2半導体物質を含む半導体パターンと、を含み、
前記半導体パターンは、前記半導体基板と接触し、
前記ゲート構造体は、前記半導体パターンの一部を貫通し、前記半導体基板と離隔し、
前記第1半導体物質は、前記第2半導体物質と互いに異なる半導体素子。
【請求項2】
前記第1半導体物質は、Siであり、
前記第2半導体物質は、SiGeである請求項1に記載の半導体素子。
【請求項3】
前記ゲート構造体は、第1部分及び前記第1部分から突出される第2部分を含み、
前記半導体パターンは、対向する第1面及び第2面を含み、前記第2面は、前記半導体基板と接触し、
前記ゲート構造体の前記第1部分は、前記半導体パターンの前記第1面上に配置され、
前記第2部分は、前記半導体パターンの前記第1面より下に配置される請求項1に記載の半導体素子。
【請求項4】
前記第2部分は、前記半導体パターンの前記第2面と離隔する請求項3に記載の半導体素子。
【請求項5】
前記ゲート構造体は、順に積層されるゲート絶縁パターン、導電パターン、ゲートパターン、金属含有パターン、及びキャッピングパターンを含む請求項1に記載の半導体素子。
【請求項6】
前記半導体基板の上の素子分離膜をさらに含み、
前記素子分離膜の側壁は、前記半導体パターンの側面と接触する請求項1に記載の半導体素子。
【請求項7】
前記半導体パターンの厚さは、500Å~700Åの間である請求項1に記載の半導体素子。
【請求項8】
セル領域上のセル活性パターン、及び前記セル領域周辺の周辺領域上で素子分離膜によって定義される周辺活性領域を含む半導体基板と、
前記半導体基板内で、前記セル活性パターンを横切るワードラインWLと、
前記半導体基板上で、前記ワードラインと交差するビットラインBLと、
前記セル活性パターンの各々の中心部上で、前記ビットラインの各々と連結されるビットラインコンタクトと、
前記セル活性パターンの各々の両端部上のストレージノードコンタクトと、
前記ストレージノードコンタクト上のランディングパッドと、
前記ランディングパッド上のキャパシタと、
前記半導体基板の上のゲート構造体と、
前記半導体基板及び前記ゲート構造体の間に配置される周辺活性パターンと、を含み、
前記周辺活性パターンは、一対の不純物領域を含み、
前記一対の不純物領域と各々連結される一対のコンタクトを含み、
前記一対のコンタクトは、貫通プラグとコンタクトパッドを含み、
前記周辺活性パターンは、上部にリセス部(recessed part)を含み、
前記ゲート構造体の一部は、前記リセス部を満たし、
前記不純物領域は、前記周辺活性パターンの上部に配置され、
前記一対のコンタクトは、前記半導体基板と離隔し、
前記セル活性パターンは、第1半導体物質を含み、
前記周辺活性パターンは、第2半導体物質を含む半導体素子。
【請求項9】
前記周辺活性パターンの厚さは、500Å~700Åの間である請求項8に記載の半導体素子。
【請求項10】
前記第1半導体物質は、Siであり、
前記第2半導体物質は、SiGeである請求項8に記載の半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は半導体素子に関するものである。
【背景技術】
【0002】
小型化、多機能化、及び/又は低い製造単価等の特性によって半導体素子は電子産業で重要な要素として脚光を浴びている。半導体素子は論理データを格納する半導体記憶素子、論理データを演算処理する半導体論理素子、及び記憶要素と論理要素を含むハイブリッド(hybrid)半導体素子等に区分されることができる。
【0003】
最近、電子機器の高速化、低消費電力化に応じて、これに内装される半導体素子もやはり速い動作速度及び/又は低い動作電圧等が要求されており、これを充足させるためにはより高集積化された半導体素子が必要である。但し、半導体素子の高集積化が深化されるほど、半導体素子の信頼性及び電気的特性が減少する可能性がある。したがって、半導体素子の信頼性及び電気的特性を向上させるための多い研究が進行されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】米国特許第10,930,740 B2号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明が達成しようとする一技術的課題は信頼性及び電気的特性が向上された半導体素子を提供することにある。
【0006】
本発明が解決しようとする課題は以上で言及された課題に制限されなく、言及されないその他の課題は下の記載から該当技術分野で通常の知識を有する者に明確に理解されるべきである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一実施形態による半導体素子は第1半導体物質を含む半導体基板、前記半導体基板の上のゲート構造体、及び前記半導体基板及び前記ゲート構造体の間の第2半導体物質を含む半導体パターンを含み、前記半導体パターンは前記半導体基板と接触し、前記ゲート構造体は前記半導体パターンの一部を貫通し、前記半導体基板と離隔し、前記第1半導体物質は前記第2半導体物質と互いに異なることができる。
【0008】
本発明の他の一実施形態による半導体素子は素子分離膜によって定義されるフィン(Fin)部分を含む半導体基板、前記フィン部分上のゲート構造体、前記フィン部分及び前記ゲート構造体の間に配置されるシリコン-ゲルマニウム(SiGe)パターン、前記シリコン-ゲルマニウム(SiGe)パターンは一対の不純物領域を含み、前記一対の不純物領域と各々接触する一対のコンタクトを含み、前記シリコン-ゲルマニウム(SiGe)パターンは上部にリセス部(recessed part)を含み、前記ゲート構造体の一部は前記リセス部を満たし、前記不純物領域は前記シリコン-ゲルマニウム(SiGe)パターンの上部に配置され、前記一対のコンタクトは前記半導体基板と離隔することができる。
【0009】
本発明のその他の一実施形態によるセル領域上のセル活性パターン、及び前記セル領域周辺の周辺領域上で素子分離膜によって定義される周辺活性領域を含む半導体基板、前記半導体基板内で、前記セル活性パターンを横切るワードラインWL、前記半導体基板上で、前記ワードラインと交差するビットラインBL、前記セル活性パターンの各々の中心部上で、前記ビットラインの各々と連結されるビットラインコンタクト、前記セル活性パターンの各々の両端部上のストレージノードコンタクト、前記ストレージノードコンタクト上のランディングパッド、前記ランディングパッド上のキャパシタ及び前記半導体基板の上のゲート構造体及び前記半導体基板及び前記ゲート構造体の間に配置される周辺活性パターンを含み、前記周辺活性パターンは一対の不純物領域を含み、前記一対の不純物領域と各々連結される一対のコンタクトを含み、前記一対のコンタクトは貫通プラグとコンタクトパッドを含み、前記周辺活性パターンは上部にリセス部(recessed part)を含み、前記ゲート構造体の一部は前記リセス部を満たし、前記不純物領域は前記周辺活性パターンの上部に配置され、前記一対のコンタクトは前記半導体基板と離隔し、前記セル活性パターンは第1半導体物質を含み、前記周辺活性パターンは第2半導体物質を含むことができる。
【発明の効果】
【0010】
本発明の概念による半導体素子によれば、電気的特性が向上され、半導体素子の信頼性が増加することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【
図1】本発明の実施形態による半導体素子のブロック図である。
【
図2】本発明の実施形態による半導体素子の平面図である。
【
図3】本発明の実施形態による半導体素子の図面であって、
図2のA-A’に対応する断面図である。
【
図4】本発明の実施形態及び比較例の電圧印加に応じるホール移動度を示すグラフである。
【
図5A】本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を示す図面である。
【
図5B】本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を示す図面である。
【
図5C】本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を示す図面である。
【
図5D】本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を示す図面である。
【
図5E】本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を示す図面である。
【
図5F】本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を示す図面である。
【
図5G】本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を示す図面である。
【
図5H】本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を示す図面である。
【
図5I】本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を示す図面である。
【
図5J】本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を示す図面である。
【
図6】本発明の実施形態による半導体素子の平面図である。
【
図7】本発明の実施形態による半導体素子の図面であって、
図6のE-E’に対応する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、添付した図面を参照して本発明の例示的な実施形態を説明することによって、本発明を詳細に説明する。
【0013】
図1は本発明の実施形態による半導体素子のブロック図である。
【0014】
図1を参照すれば、半導体素子はセルブロックCB及びセルブロックCBの各々の周囲を囲む周辺ブロックPBを含むことができる。半導体素子はメモリ素子であり、セルブロックCBの各々はメモリ集積回路のようなセル回路を含むことができる。周辺ブロックPBはセル回路の動作に必要である様々な周辺回路を含むことができ、周辺回路はセル回路に電気的に連結されることができる。
【0015】
周辺ブロックPBはセンスアンプ回路SA、サブ-ワードラインドライバー回路SWDを含むことができる。一例として、センスアンプ回路SAはセルブロックCBを介して互いに対向することができ、サブ-ワードラインドライバー回路SWDはセルブロックCBを介して互いに対向することができる。周辺ブロックPBはセンスアンプ駆動用電源及び接地ドライバー回路をさらに含むことができるが、本発明の概念はこれに限定されない。
【0016】
図2は本発明の実施形態による半導体素子の平面図である。
図3は本発明の実施形態による半導体素子の図面であって、
図2のA-A’に対応する断面図である。
【0017】
図2及び
図3を参照すれば、本実施形態による半導体素子は半導体基板100、半導体パターン101、ゲート構造体GS、コンタクトCT、及び素子分離膜120を含むことができる。
【0018】
半導体基板100は周辺領域PRを含むことができる。周辺領域PRは
図1の周辺ブロックPBが提供される半導体基板100の一領域であり得る。半導体基板100は第1半導体物質を含むことができる。第1半導体物質は、例えばシリコンを含むことができる。半導体基板100は、例えばシリコン基板やSOI(Silicon-on-insulator)基板であり得る。
【0019】
半導体基板100はフィン(Fin)部分を含むことができる。フィン(Fin)部分は素子分離膜120によって定義され、半導体パターン101が配置される半導体基板100の一領域であり得る。フィン(Fin)部分は本明細書で周辺活性領域(Fin)とも称されることができる。本明細書で、第1方向D1はフィン(Fin)部分の上面と垂直になる一方向として定義される。本明細書で、第1方向D1はフィン(Fin)部分の上面と垂直になる一方向として定義される。第3方向D3はフィン(Fin)部分の上面と平行であり、第2方向D2と垂直になる一方向として定義される。
【0020】
素子分離膜120が半導体基板100上に配置されることができる。素子分離膜120は、一例としてシリコン酸化物、シリコン窒化物、及び/又はシリコン酸窒化物を含むことができる。
【0021】
半導体基板100上に半導体パターン101が配置されることができる。半導体パターン101は本明細書で周辺活性パターン101とも称されることができる。半導体パターン101と半導体基板100との間には境界面が観察されることができる。第2半導体物質は第1半導体物質と異なる半導体物質を含むことができる。第2半導体物質は、例えばシリコン-ゲルマニウム(SiGe)を含むことができる。即ち、半導体パターン101は<100>、又は<110>等の格子方向を有するシリコン-ゲルマニウムパターンであり得る。半導体パターン101の厚さTHは500Å乃至700Åであり得る。半導体パターン101の側面は素子分離膜120の側壁と接触することができる。また、素子分離膜120は素子分離膜120の上面のレベルが半導体パターン101の上面のレベルと同一な部分を有することができる。
【0022】
半導体パターン101は対向する第1面L1及び第2面L2を含み、第2面L2は半導体基板100と接触することができる。半導体パターン101の第1面L1及び第2面L2は各々半導体パターン101の上面及び下面に対応されることができる。
【0023】
半導体パターン101はチャンネル領域DP及び一対の不純物領域110を含むことができる。半導体パターン101のチャンネル領域DP及び一対の不純物領域110を除いた他の領域はボディー領域として定義される。一対の不純物領域110はソース/ドレーン領域に対応されることができる。チャンネル領域DP及び不純物領域110は半導体パターン101の上部に配置されることができる。
【0024】
半導体パターン101のボディー領域は第1導電形を有し、不純物領域110は第2導電形を有することができる。第1導電形と第2導電形は異なることができる。一例として、第1導電形はN形であり、第2導電形はP形であり得る。一対の不純物領域110は後述するゲート構造体GSの第2部分P2を介して第2方向D2に沿って互いに離隔されるように配置されることができる。
【0025】
半導体パターン101は上部にリセス部REを含むことができる。例えば、リセス部REの形状は、断面視において方形の形状を有することができる。リセス部REの断面の形状は示した形状に限定されず、丸い形状を含むことができる。
【0026】
ゲート構造体GSは半導体パターン101上に配置され、半導体基板100と離隔されるように配置されることができる。ゲート構造体GS及び一対の不純物領域110はトランジスタを構成することができる。
【0027】
ゲート構造体GSは半導体パターン101の一部を貫通して配置されることができる。ゲート構造体GSの一部はリセス部REを満たすことができる。また、ゲート構造体GSは第3方向D3に延長されることができる。ゲート構造体GSは半導体基板100とは離隔して配置されることができる。
【0028】
具体的に、ゲート構造体GSは一体に連結される第1部分P1と第2部分P2を含むことができる。第1部分P1は第2部分P2上に配置されることができる。ゲート構造体GSの第2部分P2は半導体パターン101の第1面L1より下に配置されるゲート構造体GSの一部であり得る。ゲート構造体GSの第1部分P1は半導体パターン101の第1面L1上に配置されるゲート構造体GSの残りの部分であり得る。第2部分P2は第1部分P1から突出された部分であり得る。第1部分P1は第2方向D2に沿う第1幅W1を有することができ、第2部分P2は第2方向D2に沿う第2幅W2を有することができる。第2幅W2は第1幅W1より小さいことができる。第2幅W2はリセス部REの第2方向D2に沿う幅と対応されることができる。
【0029】
ゲート構造体GSは半導体パターン101上に順に積層されるゲート絶縁パターンGI、導電パターンCP、ゲートパターン310、金属含有パターン330、及びキャッピングパターン350を含むことができる。
【0030】
ゲート構造体GSの第1部分P1は半導体パターン101の第1面L1上に配置されるゲート絶縁パターンGIの一部、導電パターンCPの一部、ゲートパターン310の一部、金属含有パターン330、及びキャッピングパターン350を含むことができる。ゲート構造体GSの第2部分P2は半導体パターン101のリセス部REを満たすゲート絶縁パターンGIの残り、導電パターンCPの残り、ゲートパターン310の残りを含むことができる。ゲート構造体GSの第2部分P2は半導体パターン101の第1面L1と同一であるか、或いは低い位置に配置されるゲート構造体GSの部分であり得る。
【0031】
ゲート絶縁パターンGIはリセス部REの底面及び内側面の形状に沿って埋め込まれることができる。ゲート絶縁パターンGIはリセス部REの外にも延長されて半導体パターン101の第1面L1と接することができる。ゲート絶縁パターンGIは高誘電物質を含むことができる。一例として、高誘電物質はハフニウム酸化物(HfO)、ハフニウムシリケート(HfSiO)、ハフニウム酸化窒化物(HfON)、ハフニウムシリコン酸化窒化物(HfSiON)、ランタン酸化物(LaO)、ランタンアルミニウム酸化物(LaAlO)、ジルコニウム酸化物(ZrO)、ジルコニウムシリケート(ZrSiO)、ジルコニウム酸化窒化物(ZrON)、ジルコニウムシリコン酸化窒化物(ZrSiON)、タンタル酸化物(TaO)、チタニウム酸化物(TiO)、バリウムストロンチウムチタニウム酸化物(BaSrTiO)、バリウムチタニウム酸化物(BaTiO)、ストロンチウムチタニウム酸化物(SrTiO)、イットリウム酸化物(YO)、アルミニウム酸化物(AlO)、及び鉛スカンジウムタンタル酸化物(PbScTaO)の中で少なくとも1つを含む物質であり得る。
【0032】
導電パターンCPがリセス部REの一部を満たし、ゲート絶縁パターンGI上に配置されることができる。導電パターンCPはゲート絶縁パターンGIの埋め込み形状と類似でることができる。一例として、導電パターンCPはアルミニウム(Al)、アルミニウム酸化膜、チタニウム窒化物(TiN)、タングステン窒化物(WN)、又はルテニウム酸化物(RuO2)の中で選択される少なくとも1つを含むことができる。
【0033】
ゲートパターン310が導電パターンCP上に配置されることができる。ゲートパターン310はリセス部RE内でゲート絶縁パターンGI及び導電パターンCPが埋め込まれた部分以外の領域を満たし、T字形状を有することができる。ゲートパターン310は、一例として不純物がドーピングされるか、或いはドーピングされないポリシリコンを含むことができる。
【0034】
金属含有パターン330がゲートパターン310上に配置されることができる。金属含有パターン330の下面はゲートパターン310の上面と互いに接することができる。金属含有パターン330は、一例として、金属(タングステン、チタニウム、タンタル等)を含むことができる。
【0035】
キャッピングパターン350が金属含有パターン330に配置されることができる。キャッピングパターン350の下面は金属含有パターン330の上面と互いに接することができる。キャッピングパターン350は、一例として窒化物を含むことができる。
【0036】
ゲート構造体GSの第1幅W1は第2方向D2に沿うゲートパターン310の上部の第2方向D2に沿う幅、金属含有パターン330の第2方向D2に沿う幅及びキャッピングパターン350の第2方向D2に沿う幅と対応されることができる。
【0037】
一対のスペーサー構造体SPGがゲート構造体GSの第1部分P1の両側面上に各々配置されることができる。一対のスペーサー構造体SPGの各々は第1スペーサーSP1及び第2スペーサーSP2を含むことができる。
【0038】
一対の第1スペーサーSP1がゲート構造体GSの第1部分P1の両側面の上に各々配置されることができる。第1スペーサーSP1はゲート構造体GSの第1部分P1の側面を覆い、上面を露出させることができる。第1スペーサーSP1は半導体パターン101の第1面L1上に配置されることができる。第1スペーサーSP1の各々はシリコン窒化物を含むことができる。
【0039】
一例として、一対の第1スペーサーSP1の各々は単一膜又は多重膜で成されることができる。
【0040】
一対の第2スペーサーSP2が第1スペーサーSP1上に配置されることができる。第2スペーサーSP2は第1スペーサーSP1に比べてゲート構造体GSの中心から距離が遠く配置されることができる。第2スペーサーSP2は半導体パターン101の第1面L1上に配置されることができる。第2スペーサーSP2は、一例としてシリコン酸化物を含むことができる。第1スペーサーSP1及び第2スペーサーSP2は第3方向D3に延長されることができる。
【0041】
層間絶縁膜GCが素子分離膜120及び半導体パターン101上に配置されることができる。層間絶縁膜GCはゲート構造体GS及びスペーサー構造体SPGを覆うことができる。層間絶縁膜GCは、一例としてシリコン窒化物及びシリコン酸化物の中で少なくとも1つを含むことができる。
【0042】
周辺キャッピング層PCが層間絶縁膜GCの上面を覆うことができる。周辺キャッピング層PCはシリコン窒化物、シリコン酸化物、及びシリコン酸窒化物の中で少なくとも1つを含むことができる。図示せずが、周辺キャッピング層PC上に複数の配線層が含まれることができる。
【0043】
一対のコンタクトCTが半導体パターン101上に配置されることができる。
【0044】
一対のコンタクトCTは貫通プラグPP及びコンタクトパッドSCを含むことができる。貫通プラグPPは各々第1方向D1に沿って周辺キャッピング層PC、層間絶縁膜GCを貫通し、半導体パターン101の不純物領域110まで延長されることができる。貫通プラグPPは半導体パターン101の上部を貫通することができる。貫通プラグPPはタングステンと金属含有物質を含むことができる。
【0045】
貫通プラグPPは拡散防止パターン342及び拡散防止パターン342上の金属パターン343を含むことができる。拡散防止パターン342は金属パターン343と周辺キャッピングパターンPC、層間絶縁膜GC、及び半導体パターン101の間に介在されることができる。
【0046】
拡散防止パターン342は、一例として金属窒化物(TiN、TSN、TaN等)を含むことができる。金属パターン343はタングステン、アルミニウム等のような金属物質を含むことができる。
【0047】
一対の貫通プラグPPの下端領域上に各々コンタクトパッドSCが配置されることができる。コンタクトパッドSCは不純物領域110と直接的に接触する部分であり得る。コンタクトパッドSCは、断面視において一例として5角形の形状を有することができる。コンタクトパッドSCは、示した形状に限定されなく、様々な形状を有することができる。コンタクトパッドSCはシリサイド(Silicide)を含み、シリサイドは金属とシリコンの化合物であり得る。シリサイドはコバルト、チタニウム、ニッケル(Co、Ti、Ni)等の金属を含むことができる。
【0048】
既存の半導体素子はチャンネル領域をシリコン基板に形成した。これとは異なりに、本発明はチャンネル領域をシリコン-ゲルマニウム(SiGe)パターン内に形成した。したがって、圧縮応力が増加することによってホールの移動度(mobility)が増加する。そして、チャンネル領域をシリコン-ゲルマニウムパターンに形成することによって、バンドギャップが既存のシリコン基板に比べて200mV減少して閾値電圧調節が容易になった。また、シリコン-ゲルマニウムパターンでゲルマニウム濃度が高いほど、コンタクト抵抗が改善されることができる。
【0049】
図4は本発明の実施形態及び比較例の電圧印加に応じるホール移動度を示すグラフである。
【0050】
実施例1(EX1)は<110>の格子方向を有するSiGeパターンを
図3の半導体パターン110として使用した。実施例2(EX2)は<100>の格子方向を有するSiGeパターンを
図3の半導体パターン110として使用した。比較例(PE)は、実験例1(EX1)及び実験例2(EX2)と異なりに、半導体パターン110が省略された。比較例(PE)は<110>の格子方向を有するフィン部分(Fin)にチャンネル領域、及びソース/ドレーン領域を形成した。実施例1(EX1)、実施例2(EX2)は先に
図3で説明したようにゲート構造体GSの一部が半導体パターン110内に埋め込まれた形状を有する。比較例(PE)はゲート構造体GSの一部がフィン部分(Fin)に埋め込まれた形状を有する。
【0051】
実施例1(EX1)及び実施例2(EX2)を比較例(PE)と比較すれば、実施例1(EX1)及び実施例2(EX2)のホール移動度が既比較例(PE)のホール移動度より大きく観察された。実施例2(EX2)は比較例(PE)より約20%増加されたホール移動度を示した。実施例1(EX1)は実施例2(EX2)より約25%増加されたホール移動度を示した。
【0052】
Siと異なる物質であるSiGeパターンがSi基板上に形成されることによって、形成されたSiGeパターンに圧縮応力が増加することができる。SiGeパターンに圧縮応力が増加することによって、SiGeパターンをチャンネル領域として利用する時にホールの移動度が増加し、電流の流れが改善されることができる。
【0053】
図5A乃至
図5Iは本発明の実施形態による半導体素子の製造方法を説明するための図面であって、各々
図2のA-A’線に沿って切断した断面を示す。
【0054】
図5Aを参照すれば、先ず半導体基板100上に活性領域を定義する素子分離膜120を形成する。素子分離膜120はSTI(shallow trench isolation)工程と素子分離工程を利用して形成されることができる。
【0055】
具体的に、半導体基板100上に図示せずが、素子分離領域に該当する部位を選択的に露出させるマスクパターンを形成する。マスクパターンを蝕刻マスクとして使用して半導体基板100を蝕刻することによって、素子分離用トレンチを形成する。素子分離用トレンチが形成されることによって、半導体基板100の上部にフィン部分(Fin)が形成されることができる。その後、トレンチ内部にシリコン酸化物及びシリコン窒化物と物質を埋め込んだ後、平坦化することによって素子分離膜120を形成する。その後、マスクパターンを除去することによって素子分離膜120がフィン部分(Fin)を囲む形状を有するようにする。
【0056】
図5Bを参照すれば、半導体基板100上に半導体パターン101を形成する。半導体パターン101はシリコン-ゲルマニウム(SiGe)を含むことができる。半導体パターン101の厚さは500Å~700Åの間であり得る。
【0057】
半導体パターン101はフィン部分(Fin)にGeを高い濃度で注入後、再結晶化過程を経て形成されることができる。
【0058】
半導体パターン101はフィン部分(Fin)を一部蝕刻した後に、フィン部分(Fin)上にエピタキシアル成長(epitaxial growth)工程によって形成されることができる。エピタキシアル成長工程は液状エピタキシ、気相エピタキシ、及び分子ビームエピタキシ工程を含むことができる。
【0059】
上のように半導体パターン101を形成することによって、半導体パターン101の上面と、セルブロックCBの半導体基板100の上面と段差が生じることを防止することができる。
【0060】
半導体パターン101の形成過程で又は形成の後に、5価の不純物を注入することによって、N形のボディー領域を形成することができる。
【0061】
図5Cを参照すれば、半導体パターン101の上面にリセス部REが形成されることができる。図示しなかったが、リセス部REが形成される部分を選択的に露出させるマスクパターンを形成する。その後、マスクパターンを蝕刻マスクとして使用して半導体パターン101を選択的に蝕刻することによって、リセス部REを形成する。リセス部REを形成することは、乾式又は湿式蝕刻工程を利用して形成されることができる。一方、リセス部REの形状は図面に示した形状に限定されず、丸い形状を含むことができる。
【0062】
半導体パターン101は図示しなかったが、マスクパターンをイオン注入マスクとして使用して一例として、3価(trivalent)の不純物を注入することによってチャンネル領域DPを形成することができる。一部の実施形態によれば、チャンネル領域DPを形成するために不純物を注入する工程は省略されることができる。
図5Dを参照すれば、ゲート絶縁層GIpがリセス部REの内部に埋め込まれることができる。ゲート絶縁層GIpは熱酸化工程を通じて形成された物質を含むことができる。ゲート絶縁層GIpはリセス部REの形状に沿って内部に埋め込まれた形態であり得る。但し、ゲート絶縁パターンGIはリセス部REの内部全部を満たすことではない。ゲート絶縁パターンGIの下面は素子分離膜120及び半導体パターン101の上面と接することができる。
【0063】
図5Eを参照すれば、ゲート絶縁層GIp上に導電層CPp及びゲート層310pが順に形成されることができる。
【0064】
導電層CPpはパターニング工程を通じてゲート絶縁層GIp及びゲート層310pの間に形成されることができる。導電層CPpの側壁は素子分離膜120及びゲート絶縁層GIpの側壁と整列されることができる。導電層CPpは先ず埋め込まれたゲート絶縁層GIpの形状に沿って埋め込まれることができる。
【0065】
ゲート層310pの一部はリセス部REを埋め込む。ゲート層310pは低圧化学気相蒸着工程、化学気相蒸着工程、スパッタリング工程、プラズマ増大化学気相蒸着工程、パルスレーザー蒸着工程、又は原子層積層工程を利用して蒸着されることができる。ゲート層310pはポリシリコンを含むことができる。ポリシリコンを形成する時、インシチュー(in-situ)ドーピング工程を通じて不純物をドーピングすることによって、ゲート層310pを完成することができる。
【0066】
図5Fを参照すれば、ゲート層310p上に金属含有層330p及びキャッピング層350pが順に形成されることができる。
【0067】
図5F及び
図5Gを参照すれば、ゲート絶縁層GIp、導電層CPp、ゲート層310p、金属含有層330p、及びキャッピング層350pがパターニングされて各々ゲート絶縁パターンGI、導電パターンCP、ゲートパターン310、金属含有パターン330、及びキャッピングパターン350が形成されることができる。パターニング工程は、一例としてマスクパターンを利用した蝕刻工程を含み、半導体パターン101の第1面L1が露出される時まで進行されることができる。マスクパターンによって保護されるゲート絶縁層GIp、導電層CPp、ゲート層310p、金属含有層330p、及びキャッピング層350pの幅W1はリセス部REの幅W2より大きくなるように調節されることができる。ゲート絶縁パターンGI、導電パターンCP、ゲートパターン310、金属含有パターン330、及びキャッピングパターン350が形成されることによってゲート構造体GSが形成されることができる。
【0068】
図5Hを参照すれば、ゲート構造体GSの両側上に一対のスペーサー構造体SPGが各々形成されることができる。具体的に、第1スペーサーSP1がゲート構造体GSの側面上に形成された後に、第2第1スペーサーSP1上にスペーサーSP2が形成されることができる。第1スペーサーSP1と第2スペーサーSP2の下面は半導体パターン101の第1面L1と接することができる。
【0069】
図5Iを参照すれば、半導体パターン101の上部に一対の不純物領域110が形成されることができる。具体的に、一対の不純物領域110はゲート構造体GSをマスクとして使用して露出されてある第1面L1の表面に、一例として3価(trivalent)の不純物をイオン注入することによって形成されることができる。
【0070】
図5Jを参照すれば、素子分離膜120及び半導体パターン101上に配置され、ゲート構造体GSを覆う層間絶縁膜GCと層間絶縁膜GC上に配置された周辺キャッピング層PCが形成されることができる。
【0071】
再び
図3を参照すれば、コンタクトCTがゲート構造体GSの両側に各々形成されることができる。コンタクトCTは周辺キャッピング層PC、層間絶縁膜GC、及び半導体パターン101を蝕刻して形成された空間に形成されることができる。具体的に、周辺キャッピングパターンPC、層間絶縁膜GC、及び半導体パターン101をエッチングして形成された空間にコンタクトパッドSCを形成する。その後、コンタクトパッドSC上に貫通プラグPPを形成することによって、コンタクトCTを形成することができる。
【0072】
図6は本発明の実施形態による半導体素子の平面図である。
【0073】
図7は本発明の実施形態による半導体素子の図面であって、
図6のE-E’に対応する断面図である。
【0074】
図6及び
図7を参照すれば、セル領域CRを含む半導体基板100が提供されることができる。セル領域CRは
図1のセルブロックCBが提供される半導体基板100の一領域であり得る。
【0075】
セル活性パターンCACTが基板100のセル領域CR上に配置されることができる。平面視において、セル活性パターンCACTは第2方向D2及び第3方向D3に沿って互いに離隔されることができる。セル活性パターンCACTは、基板100の底面に平行であり、第2方向D2及び第3方向D3に交差する第4方向D4に延長されるバー(bar)形状を有することができる。
【0076】
素子分離膜120がセル領域CR上でセル活性パターンCACTの間に配置されることができる。素子分離膜120は基板100内に配置されてセル活性パターンCACTを定義することができる。セル活性パターンCACTは基板100の一部であり得る。
【0077】
セル活性パターンCACTは第1半導体物質を含むことができる。第1半導体物質はシリコンを含むことができる。
【0078】
ワードラインWLがセル領域CR上でセル活性パターンCACT及び素子分離膜120を横切ることができる。ワードラインWLはセル活性パターンCACT及び素子分離膜120に形成されたグルーブ内に配置されることができる。ワードラインWLは第2方向D2に延長されることができ、第3方向D3に沿って互いに離隔されることができる。ワードラインWLは基板100内に埋め込まれることができる。
【0079】
第1セル不純物領域110b及び第2セル不純物領域110cがセル活性パターンCACT内に提供されることができる。第1セル不純物領域110bの各々はセル活性パターンCACTの各々を横切る一対のワードラインWLの間に提供されることができる。第2セル不純物領域110cはセル活性パターンCACTの各々の両縁領域内に提供されることができる。
【0080】
バッファパターン306が基板100上でセル活性パターンCACT、素子分離膜120、及びワードラインWLを覆うことができる。バッファパターン306は、一例としてシリコン酸化物、シリコン窒化物、及び/又はシリコン酸窒化物を含むことができる。
【0081】
ビットラインBLがバッファパターン306上に配置されることができる。ビットラインBLは第3方向D3に沿って延長されることができ、第2方向D2に沿って互いに離隔されることができる。ビットラインBLの各々は順に積層されたバリアーパターン331及び金属含有パターン330を含むことができる。
【0082】
セルポリシリコンパターン310cがビットラインBLとバッファパターン306との間に介在されることができる。セルポリシリコンパターン310cは
図3のゲートパターン310と同一な物質を含むことができる。図示されなかったが、バリアーパターン331と対応するセルポリシリコンパターン310cの間に第1セルオーミックパターンが提供されることができる。第1セルオーミックパターンは、一例としてシリサイドを含むことができる。
【0083】
ビットラインコンタクトDCがビットラインBLと第1セル不純物領域110bとの間に各々介在されることができる。ビットラインBLはビットラインコンタクトDCによって第1セル不純物領域110bに電気的に連結されることができる。ビットラインコンタクトDCは不純物がドーピングされるか、或いはドーピングされないポリシリコンを含むことができる。
【0084】
ビットラインコンタクトDCはリセス部RE内に配置されることができる。リセス部REは第1セル不純物領域110bの上部及びこれに隣接する素子分離膜120の上部に提供されることができる。第1埋め込み絶縁パターン314c及び第2埋め込み絶縁パターン315cはリセス部RE内の残部を満たすことができる。
【0085】
セルキャッピングパターン350cがビットラインBLの各々の上で第2方向D2に延長されることができる。セルキャッピングパターン350cは、一例としてシリコン窒化物を含むことができる。
【0086】
セルポリシリコンパターン310cの各々の側面、ビットラインコンタクトDCの各々の上部側面、ビットラインBLの各々の側面、及びセルキャッピングパターン350cの側面がビットラインスペーサーSPcで覆われることができる。ビットラインスペーサーSPcはビットラインBLの各々の上で第1方向D1に沿って延長されることができる。
【0087】
ビットラインスペーサーSPcは互いに離隔された第1サブスペーサー321及び第2サブスペーサー325を含むことができる。一例として、第1サブスペーサー321及び第2サブスペーサー325はエアギャップAGによって離隔されることができる。第1サブスペーサー321はビットラインBLの各々の側面に接することができ、キャッピングパターン350の側面上に延長されることができる。第2サブスペーサー325は第1サブスペーサー321の側面に沿って提供されることができる。第1及び第2サブスペーサー321、325の各々は、一例としてシリコン窒化物を含むことができる。
【0088】
上部スペーサー360が第1サブスペーサー321の側面を覆うことができ、第2サブスペーサー325の上面に延長されることができる。上部スペーサー360はエアギャップAGをさらに覆うことができる。
【0089】
ストレージノードコンタクトBCがビットラインBLの中で互いに隣接するビットラインBLの間に介在されることができる。ストレージノードコンタクトBCは第2方向D2及び第3方向D3に互いに離隔されることができる。ストレージノードコンタクトBCは不純物がドーピングされるか、或いはドーピングされないポリシリコンを含むことができる。
【0090】
第2セルオーミックパターン341cがストレージノードコンタクトBCの各々の上に配置されることができる。第2セルオーミックパターン341cは、一例としてシリサイドを含むことができる。
【0091】
セル拡散防止パターン342cが第2セルオーミックパターン341c、ビットラインスペーサーSPc、及びセルキャッピングパターン350cをコンフォーマルに覆うことができる。セル拡散防止パターン342cは
図3の拡散防止パターン342と同一な物質を含むことができる。セル拡散防止パターン342cは、一例として、金属窒化物(TiN、TSN、TaN等)を含むことができる。第2セルオーミックパターン341cがセル拡散防止パターン342cとストレージノードコンタクトBCの各々の間に介在されることができる。
【0092】
ランディングパッドLPがストレージノードコンタクトBC上に各々配置されることができる。ランディングパッドLPは第2方向D2及び第3方向D3に互いに離隔されることができる。ランディングパッドLPは金属(例えば、タングステン)を含むことができる。
【0093】
充填パターン400がランディングパッドLPの各々を囲むことができる。充填パターン400は互いに隣接するランディングパッドLPの間に介在されることができる。
【0094】
下部電極BEがランディングパッドLP上に各々配置されることができる。下部電極BEは不純物がドーピングされたポリシリコン、チタニウム窒化物のような金属窒化物、及びタングステン、アルミニウム及び銅と金属膜の中で少なくとも1つを含むことができる。下部電極BEの各々は円柱形状であるか、或いは中空のシリンダー或いはカップ形状を有することができる。上部支持パターンSS1が下部電極BEの上部側壁を支持することができ、下部支持パターンSS2が下部電極BEの下部側壁を支持することができる。上部及び下部支持パターンSS1、SS2はシリコン窒化物、シリコン酸化物、シリコン酸化窒化物のような絶縁材料を含むことができる。
【0095】
蝕刻阻止パターン420が下部電極BEの間で充填パターン400上に提供されることができる。誘電膜DLが下部電極BEの表面と上部及び下部支持パターンSS1、SS2の表面を覆うことができる。誘電膜DLは一例として、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、及び高誘電物質の中で少なくとも1つを含むことができる。上部電極TEが誘電膜DL上に配置されることができ、下部電極BEの間の空間を満たすことができる。上部電極TEは不純物がドーピングされたポリシリコン膜、不純物がドーピングされたシリコンゲルマニウム膜、チタニウム窒化物のような金属窒化物、及びタングステン、アルミニウム及び銅と金属膜の中で少なくとも1つを含むことができる。下部電極BE、誘電膜DL、及び上部電極TEはキャパシタCAを構成することができる。
【0096】
以上、説明したように、本発明の実施形態による半導体素子はシリコン-ゲルマニウム(SiGe)パターン及びシリコン-ゲルマニウム(SiGe)パターン上のトランジスタを含むことができる。トランジスタのチャンネル領域及びソース/ドレーン領域がシリコン-ゲルマニウム(SiGe)パターン内に提供されることができる。シリコン-ゲルマニウム(SiGe)パターンをチャンネルとして利用することによって、シリコンをチャンネルとして利用することに比べてホールの移動度(mobility)が増加することができる。シリコン-ゲルマニウム(SiGe)パターンをソース/ドレーン領域として利用することによって、コンタクト連結の時、シリコンをチャンネルとして利用することに比べてコンタクト抵抗が減少することができる。その結果、電気的特性が向上され、半導体素子の信頼性が増加することができる。
【0097】
以上、添付された図面を参照して本発明の実施形態を説明したが、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者は本発明がその技術的思想や必須の特徴を変更しなくとも他の具体的な形態に実施されることができることを理解することができる。したがって、以上で記述した実施形態はすべての面で例示的なものであり、限定的ではないことと理解しなければならない。
【符号の説明】
【0098】
100 半導体基板
310 ゲートパターン
330 金属含有パターン
350 キャッピングパターン
GI ゲート絶縁パターン
101 半導体パターン
GS ゲート構造体
CT コンタクト