KR20210158607A - 캡핑층을 포함하는 반도체 소자 - Google Patents
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Abstract
Description
캡핑층을 포함하는 반도체 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
전자 기술의 발달에 따라 집적회로 소자의 다운-스케일링(down-scaling)이 급속도로 진행되고 있으며, 고도로된 집적회로 소자에서 빠른 동작 속도뿐만 아니라 동작에 관한 정확성도 요구되기 때문에 비교적 작은 면적 내에서 배선들 및 콘택들간의 절연 거리를 안정적으로 확보할 수 있는 구조를 가지는 집적회로 소자 및 그 구현 방법에 대한 기술 개발이 필요하다.
본 개시의 실시예들에 따른 과제는 핀과 소자분리층 상에 배치되는 게이트 라인이 기울어지는 경우에도 주변 콘택과 전기적으로 쇼트되지 않고, 신뢰성을 가지는 반도체 소자를 제공하는 것이다.
본 개시의 일 실시예에 의한 반도체 소자는 기판 상의 제1 활성 영역 및 제2 활성 영역; 상기 제1 활성 영역과 상기 제2 활성 영역 사이에 배치된 소자분리층, 상기 소자분리층의 상면의 레벨은 상기 제1 활성 영역의 상단의 레벨보다 낮고; 상기 제1 활성 영역 상에서 상기 소자분리층 상으로 연장되는 수평부와 상기 수평부로부터 상기 제1 활성 영역의 측면을 따라 연장되는 수직부를 포함하며, L자 형상을 가지는 제1 더미 게이트 라인; 상기 제1 더미 게이트 라인의 양 측에 배치된 제1 더미 게이트 스페이서; 및 상기 제1 더미 게이트 라인과 상기 제1 더미 게이트 스페이서 상에 배치되는 제1 더미 게이트 캡핑층을 포함하되, 상기 수평부의 높이는 상기 수직부의 높이보다 작을 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 의한 반도체 소자는 기판 상의 제1 활성 영역 및 제2 활성 영역; 상기 제1 활성 영역과 상기 제2 활성 영역 사이에 배치된 소자분리층, 상기 소자분리층의 상면의 레벨은 상기 제1 활성 영역 및 상기 제2 활성 영역의 상단의 레벨보다 낮고, 상기 제1 활성 영역 상에 배치된 게이트 라인, 상기 게이트 라인 양 측벽 상에 배치된 게이트 스페이서, 및 상기 게이트 라인 및 상기 게이트 스페이서 상에 배치된 게이트 캡핑층을 포함하는 게이트 구조체; 및 상기 제1 활성 영역과 상기 소자분리층 상에 배치되며 L자 형상을 갖는 더미 게이트 라인, 상기 더미 게이트 라인 양 측벽 상에 배치된 더미 게이트 스페이서, 및 상기 더미 게이트 라인과 상기 더미 게이트 스페이서 상에 배치된 더미 게이트 캡핑층을 포함하는 더미 게이트 구조체를 포함하고, 상기 더미 게이트 구조체는 상기 게이트 구조체를 향하여 기울어지고, 상기 더미 게이트 캡핑층의 바닥면은 상기 게이트 캡핑층의 바닥면보다 낮은 레벨에 위치할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 의한 반도체 소자는 기판 상의 제1 활성 영역 및 제2 활성 영역; 상기 제1 활성 영역과 상기 제2 활성 영역 사이에 배치된 소자분리층, 상기 소자분리층의 상면의 레벨은 상기 제1 활성 영역의 상단의 레벨보다 낮고; 상기 제1 활성 영역 및 상기 소자분리층 상에 배치되며, L자 형상을 갖는 더미 게이트 라인; 상기 제1 활성 영역 상에서 상기 더미 게이트 라인의 일 측벽 상에 배치되는 제1 스페이서와 상기 소자분리층 상에서 상기 더미 게이트 라인의 타 측벽 상에 배치되는 제2 스페이서를 포함하는 더미 게이트 스페이서; 및 상기 더미 게이트 라인과 상기 더미 게이트 스페이서 상에 배치되는 더미 게이트 캡핑층을 포함하되, 상기 제2 스페이서의 상단은 상기 제1 스페이서의 상단보다 높은 레벨에 위치할 수 있다.
본 개시의 실시예에 따르면, 기울어진 게이트 구조체가 포함하는 게이트 캡핑층의 높이가 확장되고 게이트 라인의 높이가 낮아짐으로써, 기울어진 게이트 구조체의 게이트 라인과 이에 인접하게 위치하는 콘택이 원치 않게 쇼트되는 등의 불량 현상이 방지될 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 레이아웃을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2a는 일 실시예에 따른 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'에 대한 단면도이다.
도 2b는 일 실시예에 따른 도 1의 Ⅱ-Ⅱ', Ⅲ-Ⅲ' 및 Ⅳ-Ⅳ' 에 대한 단면도들이다.
도 2c는 도 2a의 일부분을 확대 도시한 확대 단면도이다.
도 3a는 일 실시예에 따른 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'에 대한 단면도이다.
도 3b는 일 실시예에 따른 도 1의 Ⅱ-Ⅱ', Ⅲ-Ⅲ' 및 Ⅳ-Ⅳ' 대한 단면도들이다.
도 3c는 일 실시예에 따른 도 3a의 일부분을 확대 도시한 확대 단면도이다.
도 3d 내지 도 3g는 다양한 실시예들에 따른 도 3a의 일부분을 확대 도시한 확대 단면도들이다.
도 4a는 일 실시예에 따른 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'에 대한 단면도이다.
도 4b는 일 실시예에 따른 도 4a의 일부분을 확대 도시한 확대 단면도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'에 대한 단면도이다.
도 6a 내지 도 18b는 본 개시의 일 실시예에 따른 반도체 소자 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2a는 일 실시예에 따른 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'에 대한 단면도이다.
도 2b는 일 실시예에 따른 도 1의 Ⅱ-Ⅱ', Ⅲ-Ⅲ' 및 Ⅳ-Ⅳ' 에 대한 단면도들이다.
도 2c는 도 2a의 일부분을 확대 도시한 확대 단면도이다.
도 3a는 일 실시예에 따른 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'에 대한 단면도이다.
도 3b는 일 실시예에 따른 도 1의 Ⅱ-Ⅱ', Ⅲ-Ⅲ' 및 Ⅳ-Ⅳ' 대한 단면도들이다.
도 3c는 일 실시예에 따른 도 3a의 일부분을 확대 도시한 확대 단면도이다.
도 3d 내지 도 3g는 다양한 실시예들에 따른 도 3a의 일부분을 확대 도시한 확대 단면도들이다.
도 4a는 일 실시예에 따른 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'에 대한 단면도이다.
도 4b는 일 실시예에 따른 도 4a의 일부분을 확대 도시한 확대 단면도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'에 대한 단면도이다.
도 6a 내지 도 18b는 본 개시의 일 실시예에 따른 반도체 소자 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 레이아웃을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2a는 일 실시예에 따른 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'에 대한 단면도이다. 도 2b는 일 실시예에 따른 도 1의 Ⅱ-Ⅱ', Ⅲ-Ⅲ' 및 Ⅳ-Ⅳ' 에 대한 단면도들이다.
도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 반도체 소자는 기판(10), 활성 영역들(F1, F2), 필드 절연층(20), 소자분리층(30), 게이트 구조체들(GS), 더미 게이트 구조체들(GS1, GS2), 소스/드레인(S/D) 및 층간절연층(60)을 포함할 수 있다.
기판(10)은 벌크 실리콘 또는 SOI(silicon-on-insulator)일 수 있다. 기판(110)은 Si 또는 Ge와 같은 IV 족 반도체, SiGe 또는 SiC와 같은 IV-IV 족 화합물 반도체, 또는 GaAs, InAs, 또는 InP와 같은 III-V 족 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 또는, 기판(10)은 베이스 기판 상에 에피층이 형성된 것일 수 있다. 기판(110)은 도전 영역, 예를 들면 불순물이 도핑된 웰(well), 또는 불순물이 도핑된 구조물을 포함할 수 있다.
활성 영역들(F1, F2)은 기판(10)의 상면으로부터 돌출될 수 있다. 활성 영역들(F1, F2)은 제1 활성 영역(F1)과 제2 활성 영역(F2)을 포함할 수 있다. 제1 활성 영역(F1)과 제2 활성 영역(F2)은 각각 제1 방향(D1)으로 길게 연장될 수 있다. 제1 활성 영역(F1)과 제2 활성 영역(F2)은 제1 방향(D1)으로 서로 이격되며, 동일선상에 배치될 수 있다. 이에, 제1 활성 영역(F1)의 일 측벽(SW1)과 제2 활성 영역(F2)의 일 측벽(SW2)이 서로 마주볼 수 있다.
제1 활성 영역(F1)과 제2 활성 영역(F2)은 실리콘 또는 게르마늄을 포함할 수 있다. 제1 활성 영역(F1)과 제2 활성 영역은 화합물 반도체를 포함할 수 있고, 예를 들어, IV-IV족 화합물 반도체 또는 III-V족 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 구체적으로, IV-IV족 화합물 반도체는 C, Si, Ge, Sn 중 적어도 2개 이상을 포함하는 이원계 화합물, 삼원계 화합물, 또는 이들에 IV족 원소가 도핑된 화합물일 수 있다. III-V족 화합물 반도체는 III족 원소로 Al, Ga 및 In 중 적어도 하나와 V족 원소인 P, As 및 Sb 중 하나가 결합되어 형성되는 이원계 화합물, 삼원계 화합물 또는 사원계 화합물 중 하나일 수 있다.
필드 절연층(20)이 기판(10) 상에 배치되며, 제1 활성 영역(F1), 제2 활성 영역(F2) 각각의 측벽의 하부를 덮을 수 있다. 필드 절연층(20)의 상면의 레벨은 제1 활성 영역(F1)과 제2 활성 영역(F2)의 상단의 레벨보다 낮을 수 있다. 예를 들어, 필드 절연층(20)은 산화물, 질화물, 산질화물 또는 이들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
소자분리층(30)이 제1 활성 영역(F1)과 제2 활성 영역(F2) 사이에 배치될 수 있다. 소자분리층(30)은 제1 활성 영역(F1)의 일 측벽(SW1)과 접하고, 제1 활성 영역(F1)의 일 측벽(SW1)과 마주보는 제2 활성 영역(F2)의 일 측벽(SW2)과 접할 수 있다. 소자분리층(30)의 상면은 제1 활성 영역(F1)과 제2 활성 영역(F2) 각각의 상단보다 낮은 레벨에 위치할 수 있다. 소자분리층(30)은 제2 방향(D2)으로 연장되며, 필드 절연층(20)과도 접촉할 수 있다. 예를 들어, 소자분리층(30)은 산화물, 질화물, 산질화물 또는 이들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
게이트 구조체들(GS)은 각각 제2 방향(D2)으로 연장되며, 제1 활성 영역(F1) 또는 제2 활성 영역(F2)과 교차할 수 있다. 게이트 구조체들(GS)은 각각 제1 활성 영역(F1) 또는 제2 활성 영역(F2) 상에 배치될 수 있다. 또한, 게이트 구조체들(GS)은 소자분리층(30) 상에 배치될 수 있다. 게이트 구조체들(GS)은 각각 게이트 라인(GL), 게이트 유전층(72), 게이트 스페이서(47), 및 게이트 캡핑층(79)을 포함할 수 있다.
게이트 라인(GL)은 필드 절연층(20)과 활성 영역들(F1, F2) 상에서 제2 방향(D2)으로 연장될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 게이트 라인(GL)은 금속 질화물층, 금속층, 도전성 캡핑층, 및 갭필 (gap-fill) 금속막이 차례로 적층된 구조를 가질 수 있다. 금속 질화물층 및 금속층은 각각 Ti, Ta, W, Ru, Nb, Mo, 또는 Hf 중에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다. 금속층 및 금속 질화물층은 각각 ALD(atomic layer deposition), MOALD(metal organic ALD), 또는 MOCVD (metal organic CVD) 공정에 의해 형성될 수 있다. 도전성 캡핑층은 금속층의 표면이 산화되는 것을 방지하는 보호막 역할을 할 수 있다. 또한, 도전성 캡핑층은 상기 금속층 위에 다른 도전층이 퇴적될 때 퇴적을 용이하게 하기 위한 접착층(wetting layer) 역할을 할 수 있다. 도전성 캡핑층은 금속 질화물, 예를 들면 TiN, TaN, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 갭필 금속막은 도전성 캡핑층 위에 연장될 수 있다. 갭필 금속막은 W 막 또는 TiN 막으로 이루어질 수 있다. 갭필 금속막은 ALD(atomic layer deposition), CVD(chemical vapor deposition), 또는 PVD(physical vapor deposition) 공정에 의해 형성될 수 있다. 갭필 금속막은 도전성 캡핑층의 상면에서의 단차부에 의해 형성되는 리세스 공간을 보이드(void) 없이 매립할 수 있다.
게이트 스페이서(47)가 게이트 라인(GL)의 양 측벽 상에 각각 배치되며, 제2 방향(D2)으로 연장될 수 있다. 게이트 스페이서(47)는 다층 구조로 이루어질 수 있다. 게이트 스페이서(47)는 산화물, 질화물 또는 산질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 게이트 스페이서(47)는 저유전율막을 포함할 수 있다.
게이트 유전층(72)이 게이트 라인(GL)과 게이트 스페이서(47) 사이에 개재될 수 있다. 또한, 게이트 유전층(72)은 활성 영역들(F1, F2)과 게이트 라인(GL) 사이에 개재될 수 있고, 소자분리층(30)과 게이트 라인(GL) 사이에 개재될 수 있다. 예를 들어, 게이트 유전층(72)은 산화물, 질화물 또는 고유전율 물질을 포함할 수 있다. 고유전물질은 실리콘 산화물보다 높은 유전 상수를 가지는 유전 물질을 뜻할 수 있다. 도면에는 도시되지 않았지만, 게이트 유전층(72)과 활성 영역들(F1, F2) 사이에는 인터페이스층이 개재될 수 있다. 인터페이스층은 유전 물질을 포함하며, 예를 들어, 실리콘 산화물, 실리콘 산질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
게이트 캡핑층(79)이 게이트 라인(GL), 게이트 스페이서(47), 및 게이트 유전층(72) 상에 배치될 수 F있다. 게이트 캡핑층(79)의 바닥면은 아래로 볼록한 곡면일 수 있다. 예를 들어, 게이트 캡핑층(79)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및 실리콘 산질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
더미 게이트 구조체(DG1, DG2)는 활성 영역들(F1, F2)과 소자분리층(30) 상에 배치될 수 있다. 즉, 더미 게이트 구조체(DG1, DG2)의 일부는 활성 영역들(F1, F2) 상에 배치되고 다른 일부는 소자분리층(30) 상에 배치될 수 있다. 더미 게이트 구조체(DG1, DG2)는 제1 방향(D1)으로 기울어질 수 있다.
더미 게이트 구조체(DG1, DG2)는 제1 활성 영역(F1) 및 소자분리층(30) 상에 배치되는 제1 더미 게이트 구조체(DG1)와 제2 활성 영역(F2) 및 소자분리층(30) 상에 배치되는 제2 더미 게이트 구조체(DG2)를 포함할 수 있다. 제1 더미 게이트 구조체(DG1)와 제2 더미 게이트 구조체(DG2) 중 적어도 하나는 제1 방향(D1)으로 기울어질 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제1 더미 게이트 구조체(DG1)와 제2 더미 게이트 구조체(DG2)는 서로 멀어지는 방향으로 기울어질 수 있다. 예를 들어, 제1 더미 게이트 구조체(DG1)는 제1 활성 영역(F1) 상에 배치된 게이트 구조체(GS)를 향하여 기울어질 수 있다. 제2 더미 게이트 구조체(DG2)는 제2 활성 영역(F2) 상에 배치된 게이트 구조체(GS)를 향하여 기울어질 수 있다. 이에, 제1 활성 영역(F1) 상에 배치된 게이트 구조체(GS)의 상단과 제1 더미 게이트 구조체(DG1)의 상단 간의 거리(P1)는 제1 더미 게이트 구조체(DG1)의 상단과 제2 더미 게이트 구조체(DG2)의 상단 간의 거리(P2)보다 작을 수 있다. 또한, 제2 활성 영역(F2) 상에 배치된 게이트 구조체(GS)의 상단과 제2 더미 게이트 구조체(DG2)의 상단 간의 거리(P3)는 제1 더미 게이트 구조체(DG1)의 상단과 제2 더미 게이트 구조체(DG2)의 상단 간의 거리(P2)보다 작을 수 있다.
제1 더미 게이트 구조체(DG1)는 제1 더미 게이트 라인(DL1), 제1 더미 게이트 유전층(82), 제1 더미 게이트 스페이서(57), 및 제1 더미 게이트 캡핑층(89)을 포함할 수 있다.
제1 더미 게이트 라인(DL1)의 일부는 제1 활성 영역(F1) 상에 배치되고, 다른 일부는 소자분리층(30) 상에 배치될 수 있다. 제1 더미 게이트 라인(DL1)은 제2 방향(D2)으로 연장될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제1 더미 게이트 라인(DL1)은 금속 질화물층, 금속층 및 도전성 캡핑층이 차례로 적층된 구조를 가질 수 있다. 금속 질화물층 및 금속층은 각각 Ti, Ta, W, Ru, Nb, Mo, 또는 Hf 중에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다. 도전성 캡핑층은 금속 질화물, 예를 들면 TiN 및 TaN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 더미 게이트 라인(DL1)의 단면은 L자 형상일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제1 더미 게이트 라인(DL1)의 높이(h2)는 게이트 라인(GL)의 높이(h1)보다 작을 수 있다. 여기서, 제1 더미 게이트 라인(DL1)의 높이(h2)는 제1 더미 게이트 라인(DL1)의 가장 낮은 레벨에 위치하는 바닥면으로부터 제1 더미 게이트 캡핑층(89)까지의 최단 거리를 의미할 수 있다. 또한, 게이트 라인(GL)의 높이(h1)는 게이트 라인(GL)의 바닥면으로부터 게이트 캡핑층(79)까지의 최단 거리를 의미할 수 있다.
제1 더미 게이트 스페이서(57)가 제1 더미 게이트 라인(DL1)의 양 측벽 상에 각각 배치되며, 제2 방향(D2)으로 연장될 수 있다. 제1 더미 게이트 스페이서(57)는 다층 구조로 이루어질 수 있다. 제1 더미 게이트 스페이서(57)는 산화물, 질화물 또는 산질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제1 더미 게이트 스페이서(57)는 저유전율막을 포함할 수 있다. 제1 더미 게이트 스페이서(57)는 게이트 스페이서(47)와 동일한 물질들로 구성될 수 있다.
제1 더미 게이트 유전층(82)이 제1 더미 게이트 라인(DL1)과 제1 더미 게이트 스페이서(57) 사이, 제1 더미 게이트 라인(DL1)과 제1 활성 영역(F1) 사이, 및 제1 더미 게이트 라인(DL1)과 소자분리층(30) 사이에 개재될 수 있다. 제1 더미 게이트 유전층(82)은 제1 더미 게이트 스페이서(57)의 내측벽, 제1 활성 영역(F1)의 상면, 및 소자분리층(30) 상으로 돌출된 제1 활성 영역(F1)의 일 측벽(SW1)의 일부 및 소자분리층(30)의 상면을 따라 연장될 수 있다.
제1 더미 게이트 캡핑층(89)이 제1 더미 게이트 라인(DL1), 제1 더미 게이트 스페이서(57) 및 제1 더미 게이트 유전층(82) 상에 배치될 수 있다. 제1 더미 게이트 캡핑층(89)의 바닥면은 아래로 볼록한 곡면일 수 있다. 제1 더미 게이트 캡핑층(89)의 높이(h4)는 게이트 캡핑층(79)의 높이(h3)보다 클 수 있다. 제1 더미 게이트 캡핑층(89)의 바닥면의 레벨은 게이트 캡핑층(79)의 바닥면의 레벨보다 낮을 수 있다. 제1 더미 게이트 캡핑층(89)의 양 측벽은 층간절연층(60)과 접하며, 기판(10)의 상면에 대하여 수직인 제3 방향(D3)에 대하여 기울어질 수 있다. 예를 들어, 제1 더미 게이트 구조체(DG1)의 제1 더미 게이트 캡핑층(89)은 제1 활성 영역(F1) 상에 배치된 게이트 구조체(GS)를 향하여 기울어질 수 있다.
제2 더미 게이트 구조체(DG2)는 제1 더미 게이트 구조체(DG1)와 유사하게, 제2 더미 게이트 라인(DL2), 제2 더미 게이트 스페이서(57), 및 제2 더미 게이트 유전층(82), 및 제2 더미 게이트 캡핑층(89)을 포함할 수 있다. 제2 더미 게이트 구조체(DG2)는 제1 더미 게이트 구조체(DG1)와 서로 거울 대칭의 구조일 수 있으며, 이에 제2 더미 게이트 구조체(DG2)에 대한 자세한 설명은 생략한다. 제1 더미 게이트 구조체(DG1)와 제2 더미 게이트 구조체(DG2)는 서로 멀어지는 방향으로 기울어질 수 있으며, 다만, 각각의 기울어진 각도는 서로 다를 수도 있다.
소스/드레인(S/D)이 활성 영역들(F1, F2) 상에 배치될 수 있다. 소스/드레인(S/D)은 게이트 구조체(GS)와 더미 게이트 구조체(DG1, DG2)의 양 측에 각각 배치될 수 있다. 소스/드레인(S/D)은 게이트 구조체(GS)와 더미 게이트 구조체(DG1, DG2) 사이에 배치될 수 있다. 소스/드레인(S/D)은 에피텍셜층으로 이루어질 수 있으며, 불순물을 포함할 수 있다.
층간절연층(60)은 필드 절연층(20) 상에 배치되며, 소스/드레인(S/D)을 덮을 수 있다. 층간절연층(60)은 게이트 구조체(GS)와 더미 게이트 구조체(DG1, DG2)의 각각의 측벽을 덮을 수 있다. 즉, 층간절연층(60)은 게이트 캡핑층(79)과 게이트 스페이서(47)와 접하며, 더미 게이트 캡핑층(89)과 더미 게이트 스페이서(57)에 접할 수 있다. 또한, 층간절연층(60)은 소자분리층(30)의 상면을 덮을 수 있다. 층간절연층(60)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물 및 실리콘 산화물보다 유전율이 낮은 저유전율 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 2c는 도 2a의 일부분을 확대 도시한 확대 단면도이다.
도 2a 및 도 2c를 참조하면, 더미 게이트 라인(DL)은 L자 형상을 가질 수 있다. 더미 게이트 라인(DL)은 제1 활성 영역(F1) 상에서 소자분리층(30) 상으로 연장되는 수평부(DL1a)와 수평부(DL1a)의 일부로부터 아래로 연장되는 수직부(DL1b)를 포함할 수 있다. 수직부(DL1b)는 제1 활성 영역(F1)의 일 측벽을 따라 연장되어 소자분리층(30) 상에 위치할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 수평부(DL1a)의 높이(w1)는 수직부(DL1b)의 높이(w2)보다 작을 수 있다.
더미 게이트 캡핑층(89)은 제1 측벽(SS1)과 제2 측벽(SS2)을 포함할 수 있다. 제1 측벽(SS1)과 제2 측벽(SS2)은 서로 대향할 수 있다. 제1 측벽(SS1)은 제1 활성 영역(F1) 상에 위치하고, 제2 측벽(SS2)은 소자분리층(30) 상에 위치할 수 있다. 제1 측벽(SS1)과 제2 측벽(SS2)은 기판(10)의 상면에 수직인 제3 방향(D3)에 대하여 기울어질 수 있다.
더미 게이트 스페이서(57)는 제1 스페이서(57a)와 제2 스페이서(57b)를 포함할 수 있다. 제1 스페이서(57a)는 더미 게이트 스페이서(57)의 일 측벽 상에 배치되고, 제2 스페이서(57b)는 더미 게이트 스페이서(57)의 타 측벽 상에 배치될 수 있다. 제1 스페이서(57a)는 제1 활성 영역(F1) 상에 배치되고, 제2 스페이서(57b)는 소자분리층(30) 상에 배치될 수 있다. 제1 스페이서(57a)는 제2 스페이서(57b)보다 길이가 짧을 수 있다. 제1 스페이서(57a)와 제2 스페이서(57b)는 기판(10)의 상면에 수직인 제3 방향(D3)에 대하여 기울어질 수 있다. 제1 스페이서(57a)의 외측면은 더미 게이트 캡핑층(89)의 제1 측벽(SS1)과 얼라인되어 공면을 이룰 수 있다. 제2 스페이서(57b)는 소자분리층(30)의 상면으로부터 위로 점차 제1 스페이서(57a)로 기울어질 수 있다. 제2 스페이서(57b)의 외측벽은 더미 게이트 캡핑층(89)의 제2 측벽(SS2)과 얼라인되어 공면을 이룰 수 있다.
도 3a는 일 실시예에 따른 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'에 대한 단면도이다. 도 3b는 일 실시예에 따른 도 1의 Ⅱ-Ⅱ', Ⅲ-Ⅲ' 및 Ⅳ-Ⅳ' 대한 단면도들이다. 도 3c는 일 실시예에 따른 도 3a의 일부분을 확대 도시한 확대 단면도이다. 도 3d 내지 도 3g는 다양한 실시예들에 따른 도 3a의 일부분을 확대 도시한 확대 단면도들이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 게이트 구조체(GS)는 게이트 유전층(72), 게이트 라인(GL), 게이트 스페이서(47), 및 게이트 캡핑층(79)을 포함할 수 있다. 게이트 라인(GL)은 2 이상의 금속층을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 게이트 라인(GL)은 제1 게이트 전극(74), 제2 게이트 전극(76), 및 배리어 금속 패턴(78)을 포함할 수 있다.
제1 게이트 전극(74)은 게이트 유전층(72) 상에서 제2 방향(D2)으로 연장되며, 필드 절연층(20)의 상면으로 돌출된 활성 영역들(F1, F2)의 프로파일을 따라 연장될 수 있다. 제1 게이트 전극(74)의 단면은 U자 또는 이와 유사한 형상으로 형성될 수 있다. 제1 게이트 전극(74)은 금속 질화물, 예를 들어, TiN 또는 TaN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 게이트 전극(74) 상에 제2 게이트 전극(76)이 배치될 수 있다. 제2 게이트 전극(76)은 제2 방향(D2)으로 연장되며, 필드 절연층(20)의 상면으로 돌출된 활성 영역들(F1, F2)의 프로파일을 따라 연장될 수 있다. 제2 게이트 전극(76)의 단면은 U자, Y자 또는 이와 유사한 형상으로 형성될 수 있다. 제2 게이트 전극(76)은 제1 게이트 전극(74)의 상면과 내측면을 덮을 수 있다. 제2 게이트 전극(76)은 게이트 유전층(72)의 내측면을 덮을 수 있다. 제2 게이트 전극(76)은 알루미늄 또는 실리콘이 도핑된 금속 카바이드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 게이트 전극(76)은 TiAlC, TaAlC, TiSiC 또는 TaSiC 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제2 게이트 전극(76)의 상부에는 리세스가 형성될 수 있다. 배리어 금속 패턴(78)이 리세스를 채울 수 있다. 배리어 금속 패턴(78)은 제2 방향(D2)으로 연장될 수 있다. 예를 들어, 배리어 금속 패턴(78)은 금속 질화물, 예를 들어, TiN을 포함할 수 있다.
더미 게이트 구조체(DG1, DG2)는 더미 게이트 유전층(82), 더미 게이트 라인(DL), 더미 게이트 스페이서(57) 및 더미 게이트 캡핑층(89)을 포함할 수 있다. 더미 게이트 라인(DL)은 2 이상의 금속층을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 더미 게이트 라인(DL)은 제1 더미 게이트 전극(84)과 제2 더미 게이트 전극(86)을 포함할 수 있다. 더미 게이트 라인(DL)은 게이트 라인(GL)과는 다르게, 배리어 금속 패턴(78)은 포함하지 않을 수 있다.
제1 더미 게이트 전극(84)은 더미 게이트 유전층(82) 상에서 제2 방향(D2)으로 연장되며, 필드 절연층(20)의 상면으로 돌출된 제1 활성 영역(F1)의 프로파일을 따라 연장될 수 있다. 제1 더미 게이트 전극(84)은 제1 활성 영역(F1)의 상면과 일 측벽(SW1)을 따라 연장될 수 있다. 제1 더미 게이트 전극(84)의 상부에는 리세스가 형성될 수 있다.
제2 더미 게이트 전극(86)은 제1 더미 게이트 전극(84) 상에 배치될 수 있다. 제2 더미 게이트 전극(86)이 제1 더미 게이트 전극(84)의 리세스를 채울 수 있다. 제2 더미 게이트 전극(86)은 상면을 제외하고 제1 더미 게이트 전극(84)으로 둘러싸일 수 있다. 제2 더미 게이트 전극(86)의 상면은 더미 게이트 캡핑층(89)의 바닥면과 접할 수 있다. 제2 더미 게이트 전극(86)의 단면은 L자 형상일 수 있다. 제1 더미 게이트 전극(84)은 제1 게이트 전극(74)과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 제2 더미 게이트 전극(86)은 제2 게이트 전극(76)과 동일한 물질을 포함할 수 있다.
도 3c를 참조하면, 게이트 캡핑층(79)과 제1 게이트 전극(74)은 서로 수직으로 이격될 수 있다. 게이트 캡핑층(79)의 바닥면의 레벨(LV1)이 제1 게이트 전극(74)의 상단의 레벨(LV2)보다 높을 수 있다. 제2 게이트 전극(76)이 게이트 캡핑층(79)과 제1 게이트 전극(74) 사이로 연장될 수 있다. 배리어 금속 패턴(78)의 하단의 레벨(LV3)은 제1 게이트 전극(74)의 상단의 레벨(LV2)보다 낮을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 더미 게이트 캡핑층(89)의 바닥면의 레벨(LV4)은 제1 게이트 전극(74)의 상단의 레벨(LV2)보다 낮을 수 있다. 일 실시예에 있어서, 더미 게이트 캡핑층(89)의 바닥면의 레벨(LV4)은 배리어 금속 패턴(78)의 하단의 레벨(LV3)보다 낮을 수 있다. 이에, 더미 게이트 캡핑층(89)의 바닥면에 접하는 더미 게이트 유전층(82)의 상단, 더미 게이트 라인(DL)의 상면 또한 배리어 금속 패턴(78)의 하단의 레벨(LV3)보다 낮을 수 있다.
도 3d를 참조하면, 일 실시예에 있어서, 더미 게이트 스페이서(57)는 제1 활성 영역(F1) 상에 배치된 제1 스페이서(57a)와 소자분리층(30) 상에 배치된 제2 스페이서(57b)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제1 스페이서(57a)의 상단의 레벨(LV5)은 제2 스페이서(57b)의 상단의 레벨(LV6)과 다를 수 있다. 예를 들어, 제1 스페이서(57a)의 상단의 레벨(LV5)은 제2 스페이서(57b)의 상단의 레벨(LV6)보다 낮을 수 있다.
도 3e를 참조하면, 일 실시예에 있어서, 제2 더미 게이트 전극(86) 내에는 에어 갭(AG)이 형성될 수 있다. 에어 갭(AG)은 제2 더미 게이트 전극(86)의 상부에 위치하며, 더미 게이트 캡핑층(89)의 바닥면에 접할 수 있다.
도 3f를 참조하면, 일 실시예에 있어서, 더미 게이트 캡핑층(89)은 바닥면으로부터 아래로 연장되는 돌출부(PU1)를 포함할 수 있다. 돌출부(PU1)는 제2 더미 게이트 전극(86)의 내부로 돌출될 수 있다. 돌출부(PU1)는 도 3e와 같이 제2 더미 게이트 전극(86)에 형성된 에어 갭(AG)이 더미 게이트 캡핑층(89)을 형성하기 위한 절연물로 채워지면서 형성될 수 있다.
도 3g를 참조하면, 일 실시예에 있어서, 더미 게이트 캡핑층(89)은 바닥면으로부터 아래로 연장되는 돌출부(PU2)를 포함할 수 있다. 돌출부(PU2)는 도 3f에서와는 달리, 제2 더미 게이트 전극(86)뿐만 아니라 제1 더미 게이트 전극(84)에도 접촉할 수 있다. 더미 게이트 캡핑층(89)을 형성하기 위해 더미 게이트 라인(DL), 더미 게이트 유전층(82) 및 더미 게이트 스페이서(57)를 식각하는 과정에서 제2 더미 게이트 전극(86) 내에 에어 갭(AG)이 형성되어 제2 더미 게이트 전극(86)의 중심 부분이 빠르게 식각되면서 에어 갭이 제1 더미 게이트 전극(84)과 접촉할 때까지 넓은 폭으로 형성될 수 있다. 이와 같이 넓은 폭으로 형성된 에어 갭 내에 더미 게이트 캡핑층(89)을 형성하기 위한 절연물이 형성되면서 제1 더미 게이트 전극(84)과 접하는 돌출부(PU2)가 형성될 수 있다.
도 4a는 일 실시예에 따른 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'에 대한 단면도이다. 도 4b는 일 실시예에 따른 도 4a의 일부분을 확대 도시한 확대 단면도이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 일 실시예에 있어서, 제1 더미 게이트 캡핑층(89)은 기판(10)의 주면에 대하여 수직인 제3 방향(D3)에 대하여 기울어진 제1 측벽(SS1)과 기판(10)의 주면에 대하여 수직인 제2 측벽(SS2)을 포함할 수 있다. 제1 측벽(SS1)은 층간절연층(60)과 접할 수 있다. 제1 측벽(SS1)은 제1 스페이서(57a)의 외측면과 공면을 이룰 수 있다. 제2 측벽(SS2)은 층간절연층(60)과 이격될 수 있다. 또는, 제2 측벽(SS2)은 층간절연층(60)과 일부만 접하고, 일부는 이격될 수 있다. 제2 측벽(SS2)과 층간절연층(60) 사이에 제2 스페이서(57b)가 일부 개재될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제1 스페이서(57a)의 상단의 레벨(LV5)과 제2 스페이서(57b)의 상단의 레벨(LV6)은 다를 수 있다. 제1 스페이서(57a)의 상단의 레벨(LV5)이 제2 스페이서(57b)의 상단의 레벨보다 낮을 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제1 스페이서(57a)의 상단의 레벨은 게이트 스페이서(47)의 상단의 레벨보다 낮을 수 있다. 반면, 제2 스페이서(57b)의 상단의 레벨은 게이트 스페이서(47)의 상단의 레벨보다 높을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제2 스페이서(57b)는 더미 게이트 캡핑층(89)과 층간절연층(60) 사이로 연장되는 연장부(57pu)를 포함할 수 있다. 연장부(57pu)가 더미 게이트 캡핑층(89)의 바닥면으로부터 위로 연장되면서 게이트 스페이서(47)의 상단보다 높은 레벨까지 연장될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 연장부(57pu)는 위로 점차 폭이 좁아질 수 있다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'에 대한 단면도이다.
도 1 내지 도 4b에서 설명한 내용은 GAA(Gate-all-around) FET, MBC(Multi-bridge channel) FET 등에 동일하게 적용될 수 있다. 구체적으로, 도 5를 참조하면, 반도체 소자는 기판(10)상에 배치되는 활성 영역들(15, 17)을 포함할 수 있다. 활성 영역(15, 17)들은 복수의 채널 패턴(15)들과 복수의 더미 채널 패턴들(17)을 포함할 수 있다. 채널 패턴들(15)과 더미 채널 패턴들(17)은 제1 방향(D1)으로 연장되며, 서로 제3 방향(D3)으로 이격될 수 있다. 제3 방향(D3)으로 이격된 채널 패턴들(15) 사이에 게이트 라인(GL)이 배치될 수 있다. 제3 방향(D3)으로 이격된 더미 채널 패턴들(17) 사이에 더미 게이트 라인(DL)이 배치될 수 있다. 채널 패턴들(15) 상에는 게이트 구조체(GS)가 배치될 수 있다.
더미 채널 패턴들(17) 사이에 소자분리층(30)이 배치될 수 있다. 소자분리층(30)의 상면의 레벨은 더미 채널 패턴들(17) 중 최상위에 위치하는 채널 패턴(15)의 상면의 레벨보다 낮을 수 있다. 더미 게이트 구조체(DG1, DG2)가 더미 채널 패턴(17)과 소자분리층(30) 상에 배치되며, 제2 방향(D2)으로 기울어질 수 있다.
도 6a 내지 도 18b는 본 개시의 일 실시예에 따른 반도체 소자 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 상기 방법은 기판(10)을 일부 식각하여 활성 영역(F)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 활성 영역(F)은 기판(10)의 주면으로부터 상부로 돌출되고, 일 방향으로 길게 연장될 수 있다.
상기 방법은 활성 영역(F)을 일부 덮는 필드 절연층(20)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 필드 절연층(20)을 형성하는 것은 기판(10) 상에 활성 영역(F)을 덮는 절연층을 형성하고, 활성 영역(F)의 상부가 노출될 때까지 절연층을 일부 에치백하는 것을 포함할 수 있다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 상기 방법은 활성 영역(F)을 일부 식각하여 트렌치(T)를 형성하고, 트렌치(T) 내에 소자분리층(30)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 트렌치(T)에 의해 활성 영역(F)은 제1 활성 영역(F1)과 제2 활성 영역(F2)으로 분리될 수 있다. 소자분리층(30)은 트렌치(T)를 완전히 채우지 않을 수 있다. 이에, 소자분리층(30)의 상면은 활성 영역들(F1, F2)의 상단보다 레벨이 낮을 수 있다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 상기 방법은 활성 영역들(F1, F2)과 소자분리층(30) 상에 희생 게이트 구조체(SG)와 더미 희생 게이트 구조체(DSG1, DSG2)를 형성하는 것을 포함할 수 있다.
상기 희생 게이트 구조체(SG)와 더미 희생 게이트 구조체(DSG1, DSG2)를 형성하는 것은 희생 게이트 절연층(41, 51), 희생 게이트 라인(43, 53), 및 희생 캡핑층(45, 55)을 순차로 형성하는 것을 포함할 수 있다. 희생 게이트 절연층(41, 51)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 희생 게이트 라인(43, 53)은 폴리실리콘을 포함할 수 있다. 희생 캡핑층(45, 55)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및 실리콘 산질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이후, 게이트 스페이서(47)가 희생 게이트 절연층(41), 희생 게이트 라인(43) 및 희생 캡핑층(45)의 양 측벽에 형성될 수 있다. 더미 게이트 스페이서(57)가 희생 게이트 절연층(51), 희생 게이트 라인(53) 및 희생 캡핑층(55)의 양 측벽에 형성될 수 있다. 게이트 스페이서(47)와 더미 게이트 스페이서(57)는 실리콘 질화물 및 실리콘 산질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
희생 게이트 구조체(SG)는 제1 활성 영역(F1)과 소자분리층(30) 상에 형성될 수 있다. 희생 게이트 구조체(SG)는 제2 활성 영역(F2)과 소자분리층(30) 상에 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 더미 희생 게이트 구조체(DSG1, DSG2)를 형성하는 것은 제1 더미 희생 게이트 구조체(DSG1)와 제2 더미 희생 게이트 구조체(DSG2)를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 제1 더미 희생 게이트 구조체(DSG1)의 일부는 제1 활성 영역(F1) 상에 형성되고 다른 일부는 소자분리층(30) 상에 형성될 수 있다. 이에, 제1 더미 희생 게이트 구조체(DSG1)의 바닥면은 제1 활성 영역(F1)의 상면과 측면 및 소자분리층(30)의 상면을 따라 형성되어 단차를 가질 수 있다. 제2 더미 희생 게이트 구조체(DSG2)의 일부는 제2 활성 영역(F2) 상에 형성되고 다른 일부는 소자분리층(30) 상에 형성될 수 있다. 이에, 제2 더미 희생 게이트 구조체(DSG2)의 바닥면은 제2 활성 영역(F2)의 상면과 측면 및 소자분리층(30)의 상면을 따라 형성되어 단차를 가질 수 있다.
제1 더미 희생 게이트 구조체(DSG1)와 제2 더미 희생 게이트 구조체(DSG2) 소자분리층(30)의 외측으로 기울어지도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 소자분리층(30)의 좌측에 위치하는 제1 더미 희생 게이트 구조체(DSG1)는 좌측으로 기울어질 수 있고, 소자분리층(30)의 우측에 위치하는 제2 더미 희생 게이트 구조체(DSG2)는 우측으로 기울어질 수 있다. 즉, 소자분리층(30) 상 서로 이격되어 배치된 제1 더미 희생 게이트 구조체(DSG1)와 제2 더미 희생 게이트 구조체(DSG2)는 서로 멀어지는 방향으로 각각 기울어질 수 있다. 일 실시예에 있어서, 소자분리층(30) 상 서로 이격되어 배치된 제1 더미 희생 게이트 구조체(DSG1)와 제2 더미 희생 게이트 구조체(DSG2) 중 어느 하나는 다른 하나와 멀어지는 방향으로 기울어질 수 있고, 다른 하나는 기울어지지 않을 수도 있다. 예를 들어, 제1 더미 희생 게이트 구조체(DSG1) 및/또는 제2 더미 희생 게이트 구조체(DSG2)는 소자분리층(30)과 접촉하는 부분이 소자분리층(30)으로부터 스트레스를 받아 기울어질 수 있다.
이에, 예를 들어, 하나의 소자분리층(30) 상에 배치된 제1 더미 희생 게이트 구조체(DSG1)와 제2 더미 희생 게이트 구조체(DSG2) 간의 폭은 활성 영역들(F1, F2)의 상단보다 낮은 레벨에서 활성 영역들(F1, F2))의 상단보다 높은 레벨보다 작을 수 있다. 즉, 하나의 소자분리층(30) 상에 배치된 제1 더미 희생 게이트 구조체(DSG1)와 제2 더미 희생 게이트 구조체(DSG2) 간의 폭은 활성 영역들(F1, F2)의 상단으로부터 위로 갈수록 점차 멀어질 수 있다. 반면에, 제1 더미 희생 게이트 구조체(DSG1)와 희생 게이트 구조체(SG)간의 폭은 활성 영역들(F1, F2)의 상단으로부터 위로 갈수록 점차 좁아질 수 있다. 제2 더미 희생 게이트 구조체(DSG2)와 희생 게이트 구조체(SG)간의 폭은 활성 영역들(F1, F2)의 상단으로부터 위로 갈수록 점차 좁아질 수 있다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 상기 방법은 희생 게이트 구조체들(SG)과 더미 희생 게이트 구조체들(DSG1, DSG2) 사이로 노출되는 활성 영역들(F1, F2)을 리세스한 후, 활성 영역들(F1, F2)의 리세스된 영역 상에 소스/드레인(S/D)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 소스/드레인(S/D)은 p형으로 도핑된 실리콘 게르마늄 또는 n형으로 도핑된 실리콘(Si)을 포함할 수 있다. 소스/드레인(S/D)은 에피텍셜 성장 공정에 의해 형성될 수 있다. 소스/드레인(S/D)의 단면 형상은 원형, 오각형 또는 육각형 등과 같은 다양한 도형 형상을 가질 수 있다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 상기 방법은 층간절연층(60)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 층간절연층(60)을 형성하는 것은 희생 게이트 구조체(SG), 더미 희생 게이트 구조체(DSG1, DSG2), 소자분리층(30), 및 필드 절연층(20)을 덮는 절연층을 형성한 후, CMP 공정을 수행하는 것을 포함할 수 있다. CMP 공정에 의해 희생 게이트 구조체(SG)와 더미 희생 게이트 구조체(SG1, SG2)의 희생 캡핑층(45, 55)이 제거되고, 희생 게이트 라인(43, 53)의 상면이 노출될 수 있다. 예를 들어, 층간절연층(60)은 산화물을 포함할 수 있다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 상기 방법은 희생 게이트 라인(43, 53)을 제거하고, 트렌치(TR1, TR2)를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 트렌치(TR1, TR2)는 희생 게이트 구조체(SG)의 희생 게이트 라인(43)과 희생 게이트 절연층(41)이 제거되어 형성된 제1 트렌치(TR1), 제1 더미 희생 게이트 구조체(DSG1)와 제2 더미 희생 게이트 구조체(DSG2)의 희생 게이트 라인(53)과 희생 게이트 절연층(51)이 제거되어 형성된 제2 트렌치(TR2)를 포함할 수 있다. 제1 트렌치(TR1)는 수직으로 연장된 형상을 가지며, 제2 트렌치(TR2)는 기울어진 형상을 가질 수 있다. 트렌치(TR1, TR2)를 통해 게이트 스페이서(47, 57)의 내측벽과 활성 영역들(F1, F2)이 노출될 수 있다.
상기 방법은 트렌치(TR1, TR2)를 부분적으로 채우는 유전층(71)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 유전층(71)은 제1 트렌치(TR1) 내에서 게이트 스페이서(47)의 내측면과 활성 영역들(F1, F2)의 상면을 따라 컨포멀하게 형성될 수 있다. 또한, 유전층(71)은 제2 트렌치(TR2) 내에서 더미 게이트 스페이서(57)의 내측면, 활성 영역들(F1, F2)의 상면, 및 소자분리층(30)의 상면을 따라 컨포멀하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 유전층(71)은 실리콘 산화막, 고유전막, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 고유전막은 실리콘 산화막보다 유전 상수가 더 큰 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들여, 고유전막은 HfO2, HfSiO, HfSiON, HfTaO, HfTiO, HfZrO, 지르코늄 산화물(zirconium oxide), 알루미늄 산화물(aluminum oxide), HfO2-Al2O3 합금, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 유전층(71)은 ALD(atomic layer deposition), CVD(chemical vapor deposition), 또는 PVD(physical vapor deposition) 공정에 의해 형성될 수 있다. 도면에는 생략되었으나, 상기 방법은 유전층(71) 형성 전에 인터페이스층을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
도 12a 및 도 12b를 참조하면, 상기 방법은 유전층(71) 상에 제1 도전층(73)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 제1 도전층(73)은 트렌치(TR1, TR2) 내에 형성되며, 트렌치(TR1, TR2)를 완전히 채우지 않을 수 있다. 예를 들어, 제1 도전층(73)은 금속 질화막, 예를 들어 TiN 또는 TaN을 포함할 수 있다. 상기 제1 도전층(73)은 ALD(atomic layer deposition), MOALD(metal organic ALD), 또는 MOCVD(metal organic CVD) 공정에 의해 형성될 수 있다.
도 13a 및 도 13b를 참조하면, 상기 방법은 제1 도전층(73)을 제1 트렌치(TR1) 내에서 일부 제거하여 제1 게이트 전극(74)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 제1 게이트 전극(74)을 형성하는 것은 제2 트렌치(TR2)를 완전히 채우는 마스크층(MS1)을 형성하고, 제1 트렌치(TR1)만 노출시키는 것을 포함할 수 있다. 즉, 제2 트렌치(TR2) 상에 마스크층(MS1)을 형성한 후, 제1 트렌치(TR1) 내의 제1 도전층(73)에 대하여만 선택적으로 식각 공정이 수행될 수 있다. 제2 트렌치(TR2) 내에는 제1 도전층(73)이 그대로 잔류할 수 있다.
제1 도전층(73)을 일부 제거하여 제1 게이트 전극(74)을 형성하는 것은 챔퍼링(chamfering) 공정을 수행하는 것일 수 있다. 챔퍼링 공정을 통해 제1 도전층(73)의 상부가 일부 제거되고, 하부만 잔류됨으로써 U자 형상의 제1 게이트 전극(74)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 챔퍼링 공정은 제1 트렌치(TR1)의 빈 공간의 하부를 채우는 채움 물질을 형성하고, 채움 물질을 마스크로 제1 도전층(73)을 선택적으로 식각하는 것일 수 있다. 이에, 제1 게이트 전극(74)의 상단은 게이트 스페이서(47)의 상면보다 낮아질 수 있다. 즉, 제1 도전층(73)의 상면은 채움 물질의 상면과 공면을 이룰 때까지 제거될 수 있다. 이후, 채움 물질이 선택적으로 제거될 수 있다. 제1 게이트 전극(74)이 형성된 이후, 마스크층(MS1)이 선택적으로 제거되고, 제2 트렌치(TR2)가 부분적으로 비워질 수 있다.
도 14a 및 도 14b를 참조하면, 상기 방법은 제1 트렌치(TR1) 및 제2 트렌치(TR2) 내에 제2 도전층(75)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 제2 도전층(75)은 제1 트렌치(TR1) 내에서 제1 게이트 전극(74)과 유전층(71)을 덮으며 컨포멀하게 형성될 수 있다. 제2 도전층(75)은 제1 트렌치(TR1)를 일부만 채우며, 제2 트렌치(TR2)를 완전히 채울 수 있다. 제1 트렌치(TR1)에는 제1 트렌치(TR1)의 하부에만 형성된 제1 게이트 전극(74)이 존재하며, 제2 트렌치(TR2)에는 제1 도전층(73)이 존재하기 때문에 제1 트렌치(TR1)의 빈 공간이 제2 트렌치(TR2)의 빈 공간보다 넓을 수 있다. 따라서, 제2 트렌치(TR2)가 제2 도전층(75)에 의해 완전히 채워지더라도 제1 트렌치(TR1)는 부분적으로 채워지고 잔여 공간이 남을 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제2 트렌치(TR2) 내의 제2 도전층(75)에는 내부에 에어 갭 (AG)이 형성될 수 있다. 제2 도전층(75)은 알루미늄 또는 실리콘이 도핑된 금속 카바이드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 도전층(75)은 TiAlC, TaAlC, TiSiC 또는 TaSiC를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 도전층(75)은 ALD(atomic layer deposition), MOALD(metal organic ALD), 또는 MOCVD(metal organic CVD) 공정에 의해 형성될 수 있다.
도 15a 및 도 15b를 참조하면, 상기 방법은 제1 트렌치(TR1)의 잔여 공간을 채우는 배리어 금속층(77)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 배리어 금속층(77)은 TiN과 같은 금속 질화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 배리어 금속층(77)은 ALD(atomic layer deposition), MOALD(metal organic ALD), 또는 MOCVD(metal organic CVD) 공정에 의해 형성될 수 있다.
도 16a 및 도 16b를 참조하면, 배리어 금속층(77)을 형성하고 난 결과물(예를 들어, 도 15a 및 도 15b)에 대하여 층간절연층(60) 상에 위치하는 유전층(71), 제1 도전층(73), 제2 도전층(75), 및 배리어 금속층(77)을 제거하여 층간절연층(60)의 상면을 노출할 수 있다. 이에, 제1 트렌치(TR1) 내에는 게이트 유전층(72), 제1 게이트 전극(74), 제2 게이트 전극(76) 및 배리어 금속 패턴(78)이 형성될 수 있다. 또한, 제2 트렌치(TR2) 내에는 더미 게이트 유전층(82), 제1 더미 게이트 전극(84), 및 제2 더미 게이트 전극(86)이 형성될 수 있다. 제2 더미 게이트 전극(86)은 에어 갭(AG)을 포함할 수 있다.
제2 트렌치(TR2) 내에 형성된 더미 게이트 유전층(82), 제1 더미 게이트 전극(84), 및 제2 더미 게이트 전극(86)은 제2 트렌치(T2)의 기울어진 형상에 따라, 기판(10)의 주면에 수직인 방향에 대하여 기울기를 가지고 연장될 수 있다. 이에, 더미 게이트 유전층(82), 제1 더미 게이트 전극(84), 및 제2 더미 게이트 전극(86)의 상부는 소스/드레인(S/D) 상에 위치할 수 있다. 즉, 더미 게이트 유전층(82), 제1 더미 게이트 전극(84), 및 제2 더미 게이트 전극(86)의 상부는 소스/드레인(S/D)과 수직으로 중첩될 수 있다.
도 17a 및 도 17b를 참조하면, 상기 방법은 리세스(R1, R2)를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 리세스(R1, R2)를 형성하는 것은 제1 리세스(R1)와 제2 리세스(R2)를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 층간절연층(60)의 상면을 덮는 마스크층(MS2)이 형성되고, 마스크층(MS2)을 식각마스크로 하는 식각 공정에 의해 게이트 스페이서(47), 게이트 유전층(72) 제1 게이트 전극(74), 제2 게이트 전극(76) 및 배리어 금속 패턴(78)이 식각되어 제1 리세스(R1)가 형성될 수 있다. 또한, 마스크층(MS2)을 식각마스크로 하는 식각 공정에 의해 더미 게이트 스페이서(57), 더미 게이트 유전층(82), 제1 더미 게이트 전극(84), 및 제2 더미 게이트 전극(86)이 식각되어 제2 리세스(R2)가 형성될 수 있다. 식각 공정에 의해 제1 리세스(R1)와 제2 리세스(R2)는 동시에 형성될 수 있다.
제1 리세스(R1)의 깊이와 제2 리세스(R2)의 깊이는 서로 다를 수 있다. 제2 리세스(R2)가 제1 리세스(R1)보다 깊게 형성될 수 있다. 제2 리세스(R2)는 제1 리세스(R1)보다 깊게 형성될 수 있다. 게이트 스페이서(47) 사이에는 제2 게이트 전극(76) 상에 배리어 금속 패턴(78)이 형성되어 제1 트렌치(TR1)를 완전히 채우나(도 16a 참조), 더미 게이트 스페이서(57) 사이에는 배리어 금속 패턴(78)이 존재하지 않으며, 제2 더미 게이트 전극(86)이 제2 트렌치(TR2)를 완전히 채우고 있다(도 16a 참조). 이에 따라, 리세스(R1, R2)를 형성하는 식각 공정에서 제2 더미 게이트 전극(86)에 대하여 선택비를 높인 식각 공정을 수행함으로써, 제1 리세스(R1)의 바닥면이 낮아지는 속도보다, 제2 리세스(R2)의 바닥면이 낮아지는 속도를 빠르게 할 수 있다. 또한, 제2 더미 게이트 전극(86)의 내부에는 에어 갭(AG)이 형성되어 있으므로, 다른 물질들보다 제2 더미 게이트 전극(86)의 바닥면이 낮아지는 속도가 빠를 수 있으며, 이에 따라, 제1 리세스(R1)의 바닥면이 낮아지는 속도보다 제2 리세스(R2)의 바닥면이 낮아지는 속도가 빠를 수 있다.
제2 리세스(R2)가 보다 깊게 형성되면서, 제1 더미 게이트 전극(84)과 제2 더미 게이트 전극(86)의 높이는 낮아질 수 있다. 이에 따라, 더미 게이트 유전층(82), 제1 더미 게이트 전극(84) 및 제2 더미 게이트 전극(86)의 상부가 제거되어 소스/드레인(S/D)과 수직으로 중첩하지 않을 수 있다. 이에 따라, 더미 게이트 구조체가 기울기를 가지고 형성되는 경우에도, 소스/드레인(S/D)에 연결되는 컨택과 더미 게이트 라인이 원치 않게 연결되는 현상이 방지될 수 있다.
도 18a 및 도 18b를 참조하면, 상기 방법은 리세스(R1, R2) 내에 게이트 캡핑층(79)과 더미 게이트 캡핑층(89)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 게이트 캡핑층(79)이 제1 리세스(R1) 내에 형성되고, 더미 게이트 캡핑층(89)이 제2 리세스(R2) 내에 형성될 수 있다. 게이트 캡핑층(79)과 더미 게이트 캡핑층(89)을 형성하는 것은 절연물을 리세스(R1, R2) 내에 증착한 후, 평탄화 공정을 수행하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 게이트 캡핑층(79)과 더미 게이트 캡핑층(89)은 SiN을 포함할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상에 따른 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해하여야 한다.
F: 활성 영역F1: 제1 활성 영역
F2: 제2 활성 영역GL: 게이트 라인
GS: 게이트 구조체 DG1: 제1 더미 게이트 구조체
DG2: 제2 더미 게이트 구조체 DL: 더미 게이트 라인
DSG1: 제1 더미 희생 게이트 구조체
DSG2: 제2 더미 희생 게이트 구조체
10: 기판15: 채널 패턴
17: 더미 채널 패턴20: 필드 절연층
30: 소자분리층41, 51: 희생 게이트 절연층
43, 53: 희생 게이트 라인45, 55: 희생 캡핑층
47: 게이트 스페이서 57: 더미 게이트 스페이서
60: 층간 절연층71: 유전층
73: 제1 도전층74: 제1 게이트 전극
75: 제2 도전층76: 제2 게이트 전극
77: 배리어 금속층78: 배리어 금속 패턴
79: 게이트 캡핑층82: 더미 게이트 유전층
84: 제1 더미 게이트 전극86: 제2 더미 게이트 전극
89: 더미 게이트 캡핑층
F2: 제2 활성 영역GL: 게이트 라인
GS: 게이트 구조체 DG1: 제1 더미 게이트 구조체
DG2: 제2 더미 게이트 구조체 DL: 더미 게이트 라인
DSG1: 제1 더미 희생 게이트 구조체
DSG2: 제2 더미 희생 게이트 구조체
10: 기판15: 채널 패턴
17: 더미 채널 패턴20: 필드 절연층
30: 소자분리층41, 51: 희생 게이트 절연층
43, 53: 희생 게이트 라인45, 55: 희생 캡핑층
47: 게이트 스페이서 57: 더미 게이트 스페이서
60: 층간 절연층71: 유전층
73: 제1 도전층74: 제1 게이트 전극
75: 제2 도전층76: 제2 게이트 전극
77: 배리어 금속층78: 배리어 금속 패턴
79: 게이트 캡핑층82: 더미 게이트 유전층
84: 제1 더미 게이트 전극86: 제2 더미 게이트 전극
89: 더미 게이트 캡핑층
Claims (10)
- 기판 상의 제1 활성 영역 및 제2 활성 영역;
상기 제1 활성 영역과 상기 제2 활성 영역 사이에 배치된 소자분리층, 상기 소자분리층의 상면의 레벨은 상기 제1 활성 영역의 상단의 레벨보다 낮고;
상기 제1 활성 영역 상에서 상기 소자분리층 상으로 연장되는 수평부와 상기 수평부로부터 상기 제1 활성 영역의 측면을 따라 연장되는 수직부를 포함하며, L자 형상을 가지는 제1 더미 게이트 라인;
상기 제1 더미 게이트 라인의 양 측에 배치된 제1 더미 게이트 스페이서; 및
상기 제1 더미 게이트 라인과 상기 제1 더미 게이트 스페이서 상에 배치된 제1 더미 게이트 캡핑층을 포함하되,
상기 수평부의 높이는 상기 수직부의 높이보다 작은, 반도체 소자. - 기판 상의 제1 활성 영역 및 제2 활성 영역;
상기 제1 활성 영역과 상기 제2 활성 영역 사이에 배치된 소자분리층, 상기 소자분리층의 상면의 레벨은 상기 제1 활성 영역 및 상기 제2 활성 영역의 상단의 레벨보다 낮고,
상기 제1 활성 영역 상에 배치된 게이트 라인, 상기 게이트 라인 양 측벽 상에 배치된 게이트 스페이서, 및 상기 게이트 라인 및 상기 게이트 스페이서 상에 배치된 게이트 캡핑층을 포함하는 게이트 구조체; 및
상기 제1 활성 영역과 상기 소자분리층 상에 배치되며 L자 형상을 갖는 더미 게이트 라인, 상기 더미 게이트 라인 양 측벽 상에 배치된 더미 게이트 스페이서, 및 상기 더미 게이트 라인과 상기 더미 게이트 스페이서 상에 배치된 더미 게이트 캡핑층을 포함하는 더미 게이트 구조체를 포함하고,
상기 더미 게이트 구조체는 상기 게이트 구조체를 향하여 기울어지고,
상기 더미 게이트 캡핑층의 바닥면은 상기 게이트 캡핑층의 바닥면보다 낮은 레벨에 위치하는, 반도체 소자. - 제2항에 있어서,
상기 더미 게이트 라인의 높이는,
상기 게이트 라인의 높이보다 작은, 반도체 소자. - 제2항에 있어서,
상기 더미 게이트 캡핑층의 높이는,
상기 게이트 캡핑층의 높이보다 큰, 반도체 소자. - 제2항에 있어서,
상기 더미 게이트 스페이서의 상단은,
상기 게이트 스페이서의 상단보다 낮은 레벨에 위치하는 반도체 소자. - 제2항에 있어서,
상기 게이트 라인은,
U자 형상의 제1 게이트 전극;
상기 제1 게이트 전극 상에 배치된 제2 게이트 전극, 상기 제2 게이트 전극의 상부에는 리세스가 형성되고; 및
상기 리세스를 채우는 배리어 금속 패턴을 포함하는 반도체 소자. - 제6항에 있어서,
상기 제1 게이트 전극의 상단은,
상기 게이트 캡핑층과 수직으로 이격되는, 반도체 소자. - 제7항에 있어서,
상기 더미 게이트 캡핑층의 바닥면은,
상기 제1 게이트 전극의 상단보다 낮은 레벨에 위치하는, 반도체 소자. - 제7항에 있어서,
상기 배리어 금속 패턴의 하단은,
상기 제1 게이트 전극의 상단보다 낮은 레벨에 위치하는, 반도체 소자. - 제9항에 있어서,
상기 더미 게이트 캡핑층의 바닥면은,
상기 배리어 금속 패턴의 하단보다 낮은 레벨에 위치하는 반도체 소자.
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