KR100369867B1 - 반도체소자의제조방법 - Google Patents

Abstract

본발명은 반도체소자의 콘택홀 제조방법에 관한 것으로서, 질화막을 식각장벽층으로 이용하여 산화막 재질의 층간절연막을 식각하여 미세 콘택홀을 형성하는 콘택 식각공정시 C_xF_y+ CO + Ar 가스를 식각가스로 사용하여 Ar 가스의 이온 밤바드먼트(Ion Bombardment) 효과를 이용하여 폴리머를 제거함으로서 C₄F₈가스에 의해 발생하는 다량의 폴리머를 효과적으로 조절하여 폴리머 발생에 따른 식각 정지 현상을 효과적으로 방지하였으므로, 공정여유도가 증가되고, 안정된 미세 콘택홀을 형성할수 있어 공정수율 및 소자 동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Description

반도체소자의 제조방법

본발명은 반도체소자의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 콘택 공정등을 비롯한 산화막 식각시, 선택비(대 질화막 또는 다결정 실리콘막)를 증가시키기 위해 사용하는 과카본(carbon rich) 폴리머 가스인 C₃F₈가스를 이온 밤바드먼트 효과가 있는 Ar가스 및 CO 가스와 혼합하여 식각가스로 사용하면, C₃F₈가스에 의해 생성된 폴리머의 제거량을 조절할 수 있어 식각정지 현상이 방지되며, 층간절연막과 질화막간에 고식각선택비차를 얻을 수 있어 미세 콘택홀을 안정적으로 형성하고, 공정수율 및 소자 동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체소자의 콘택홀 제조방법에 관한 것이다.

최근 반도체 장치의 고집적화 추세는 미세 패턴 형성기술의 발전에 큰 영향을 받고 있다. 특히 감광막패턴은 반도체 장치의 제조 공정중에서 식각 또는 이온주입 공정 등의 마스크로 매우 폭 넓게 사용되고 있다.

따라서 반도체 소자의 고집적화를 위해서는 감광막 패턴의 미세화가 필수 요건인데, 상기 감광막패턴의 분해능은 축소노광장치의 광원의 파장 및 공정변수에 비례하고, 축소노광장치의 렌즈구경(numerical aperture; NA)에 반비례한다.

여기서 상기 축소노광장치의 광분해능을 향상시키기 위하여 광원의 파장을 감소시키게 되며, 예를들어 파장이 436 및 365nm인 G-라인 및 i-라인 축소노광장치는 공정 분해능이 각각 약 0.7, 0.5㎛ 정도가 한계이다.

따라서 0.5㎛ 이하의 미세 패턴을 형성하기 위해 파장이 작은 원자외선(deep ultra violet), 예를들어 파장이 248nm인 KrF 레이저나 193nm인 ArF 레이저를 광원으로 사용하는 축소노광장치를 이용한다.

또한 상하의 도전배선을 연결하는 콘택 홀은 자체의 크기와 주변배선과의 간격이 감소되고, 콘택 홀의 지름과 깊이의 비인 에스팩트비(aspect ratio)는 증가한다. 따라서, 다층의 도전배선을 구비하는 고집적 반도체소자에서는 콘택을 형성하기 위하여 제조 공정에서의 마스크들간의 정확하고 엄격한 정렬이 요구되어 공정여유도가 감소된다.

상기 콘택 홀은 간격 유지를 위하여 마스크 정렬시의 오배열 여유(misalignm ent tolerance), 노광공정시의 렌즈 왜곡(lens distorion), 마스크 제작 및 사진식각 공정시의 임계크기 변화(critical dimension variation), 마스크간의 정합(registration) 등과 같은 요인들을 고려하여 마스크를 형성하여야 하므로 공정여유도는 더욱 감소된다.

또한 콘택홀 형성시 리소그래피(Lithography) 공정의 한계를 극복하기 위하여 자기 정렬 방법으로 콘택홀을 형성하는 기술이 개발되었다. 자기 정렬 콘택홀 형성 방법 중 가장 유망한 것으로 질화막을 식각 방어막으로 사용하는 장벽질화막 자기정렬 콘택(nitride barrier self aligned contact; 이하 NBSAC 라 칭함) 방법이 있다.

종래 반도체소자의 고에스팩트비를 갖는 콘택홀의 제조방법에 관하여 제 1도를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 반도체기판(1)상에 게이트 산화막(2) 및 게이트전극(3)들을 형성하고, 통상의 방법으로 엘.디.디(Lightly Doped Drain; 이하 LDD라 칭함) 구조의 소오스/드레인 전극(도시되지 않음)과 산화막 스페이서(4)를 형성한다. 이때 상기 게이트전극(3)의 상측에는 자기정렬 콘택 형성시 게이트전극(3)의 노출을 방지하기 위한 마스크 산화막(6) 패턴이 형성되어있다.

그다음 상기 구조의 전표면에 콘택홀 식각시의 식각장벽층인 질화막(7)을 형성하고, 상기 질화막(7)상에 평탄화 특성이 우수한 비.피.에스.지(Boro Phospho Silicate Glass; 이하 BPSG라 칭함)등으로된 층간절연막(8)을 형성한 후, 상기 반도체기판(1)에서 비트라인 또는 전하저장전극 콘택으로 예정되어 있는 부분상의 층간절연막(8)을 노출시키는 콘택홀 식각용 감광막패턴(9)을 형성한다.

그후, 상기 감광막패턴(9)에 의해 노출되어 있는 층간절연막(8)을 상기 질화막(7)과는 식각 선택비차가 10:1 이상인 조건에서 건식식각하여 질화막(7)을 노출시키고, 다시 상기 노출된 질화막(7)을 제거하여 반도체기판(1)을 노출시키는 콘택홀(10)을 형성한다. 이때 상기 식각 공정은 식각선택비를 증가시키기 위하여 다량의 폴리머를 발생시키는 가스, 예를들어 C₂F₆, C₃F₈, C₄F₈등을 불활성 가스와 혼합하여 사용하여 과식각한다.

상기와 같은 종래 기술에 따른 장벽 질화막을 식각 장벽으로 사용하여 콘택홀을 형성하는 반도체소자의 제조방법은 상기 장벽 질화막과 BPSG 재질의 산화막과의 고식각 선택비를 얻기 위하여 다량의 폴리머 유발가스인 C₂F₆, C₃F₈, C₄F₈등을 식각 가스로 사용하였으나 15 이상의 고선택비를 얻기가 어렵다.

여기서 C₄F₈가스가 근래에 들어와서 가장 많이 사용되고 있지만, C₄F₈+Ar혼합 가스를 사용한 식각 공정은 생성되는 폴리머의 주성분이 C-C계로 알려져 있는데 C-C계 폴리머는 그 결합력이 단단하여 적정치 유량에서 유량을 약간만 증가시켜도 식각멈춤이 발생하고, 이를 방지하기 위하여 CO 가스를 혼합하여 폴리머의 과다생성을 방지하고 있으나, 폴리머의 효과적인 조절이 어렵고, 콘택홀의 크기나 식각장비 상태 또는 공정조건의 미세한 변화에도 적정 식각 조건이 매우 심한 변화를 보이므로 매 콘택홀의 크기에 따라 새로운 식각조건을 설정하여야 하고 미세한 조건의 변화에도 식각 정지 현상이 나타나고 있다. 그러므로 공정수율이 떨어지고 제조 단가가 상승하는 다른 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기위한 것으로서, 본발명의 목적은 반도체 제조공정에서 고밀도 식각 장비를 이용하여 산화막 식각시 선택비(대 질화막, 다결정 실리콘막)를 증가시키기 위해 사용하는 과카본 폴리머 가스인 C_xF_y가스에 의해 발생하는 다량의 폴리머를 조절하기 위한 방법으로 CO + Ar 혼합가스를 사용하여 Ar 가스의 이온 밤바드먼트(Ion Bombardment) 효과를 이용하여 폴리머를 제거하는 정도를 용이하게 조절하여 폴리머 발생에 따른 식각 정지 현상을 방지하여 미세 콘택홀 형성이 용이하고 공정수율 및 소자 동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체소자의 콘택홀 제조방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본발명에 따른 반도체소자의 콘택홀 제조방법의 특징은,

반도체 기판 상에 식각장벽층과 층간절연막을 형성하는 단계;

콘택 마스크를 사용한 사진식각 공정으로 상기 층간절연막을 식각하되, 상기 층간절연막 식각 공정시 C_xF_y+ CO +Ar 혼합 가스를 식각가스로 식각하여 상기 식각장벽층을 노출시키는 단계; 및

상기 노출된 식각 장벽층을 제거하여 콘택홀을 형성하는 단계를 구비함에 있다.

이하, 본발명에 따른 반도체소자의 콘택홀 제조방법에 관하여 상세히 설명한다.

제 1 도에서와 같이 반도체기판(1)상에 게이트 산화막(2)과 게이트전극(3) 및 상기 게이트전극(3)과 중첩되어있는 마스크 산화막(6) 패턴을 형성하고, 상기 마스크 산화막(6) 패턴과 게이트전극(3)의 측벽에 산화막 스페이서(4)를 형성한 후, 상기 구조의 전표면에 식각장벽층인 질화막(7)과 산화막 재질, 예를들어 BPSG등으로된 층간절연막(8)으로 순차적으로 형성하고, 상기 반도체기판(1)에서 콘택으로 예정되어 있는 부분 상측의 층간절연막(8)을 노출시키는 콘택 마스크용 감광막패턴(9)을 형성한다. 이때 상기 감광막패턴(9)은 실제 형성되는 콘택홀에 비하여 넓은 부분을 노출시킨다.

그후, 상기 감광막패턴(9)에 의해 노출되어있는 층간절연막(8)을 식각하여 그 하부의 질화막(7)을 노출시키고, 다시 상기 노출된 질화막(7)을 제거하여 반도체기판(1)을 노출시키는 콘택홀(10)을 형성한다.

이때 상기 식각 공정은 C_xF_y+ CO + Ar 혼합 가스를 식각가스로 사용하여, Ar 가스의 이온 밤바드먼트 효과에 의해 C_xF_y가스에 의해 발생되는 폴리머를 효과적으로 제거하였다. 여기서 상기 C_xF_y에서 x=2,3,4이고 y=6,8 로서, C₂F₆, C₃F₈, C₃F₈을 사용할 수 있다.

본발명자의 실험. 결과에 따르면, 셋업(Set Up)한 기준조건(Base line), 예를들어 C₃F₈: CO : Ar = 1 : 20 : 30의 비로 혼합된 혼합가스에서 CO 가스 플로우량을 기준 400sccm에서 어느 정도 감소시켜도 식각율은 변화가 없으나 20∼30sccm정도를 감소시키면 부분적인 식각 정지 현상이 발생하기 시작하여 30∼70sscm 정도를 감소시키면 전체적으로 식각정지 현상이 일어난다. 또한 기준 400sccm의 Ar 플루우량에서 Ar 가스를 감소시켜도 식각율은 변화되지 않으나, 30∼70sccm 정도를 감소시키면 부분적인 식각 정지 현상이 발생하고, 70∼130sccm 정도를 감소시키면, 전체적으로 식각 정지 현상이 일어난다.

상기의 실험 결과를 적용하여 선정된 공정 조건을 사용하여 NBSAC 공정에 적용하여 Ar 가스의 양을 기준 공정 조건에서 플루우량을 100sccm 정도 감소시키면,(400 sccm → 300sccm) 층간절연막(8) 식각시 질화막(7)과의 경계면 부근에서 폴리머에 의한 식각 정지 현상이 일어나 더이상 식각이 되지 않으며, Ar 가스의 양을 기준 공정 조건으로(400sccm) 진행하면, 식각 정지 현상이 일어나지 않고, 질화막(7)위에 폴리머를 비롯한 이물질 이 부착되지 않는다.

또한 이후 공정인 질화막(7) 제거 공정시에도 이물질 등에 의한 식각 방해현상은 전혀 일어나지 않는다,

따라서 C_xF_y/CO/Ar 가스의 비를 조절하면 식각선택비차나 식각 프로파일을 조절할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본발명에 따른 반도체소자의 콘택홀 제조방법은 질화막을 식각장벽층으로 이용하여 산화막 재질의 층간절연막을 식각하여 미세 콘택홀을 형성하는 콘택 식각공정시 C_xF_y+ CO + Ar 가스를 식각가스로 사용하여 Ar 가스의 이온 밤바드먼트(Ion Bombardment) 효과를 이용하여 폴리머를 제거함으로서C₄F₈가스에 의해 발생하는 다량의 폴리머를 효과적으로 조절하여 폴리머 발생에 따른 식각 정지 현상을 효과적으로 방지하였으므로, 공정여유도가 증가되고, 안정된 미세 콘택홀을 형성할수 있어 공정수율 및 소자 동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

제 1 도는 일반적인 반도체소자의 콘택홀 제조방법을 설명하기 위한 개략도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 반도체기판 2 : 게이트산화막

3 : 게이트전극 4 : 산화막 스페이서

6 : 마스크 산화막 7 : 질화막

8 : 층간절연막 9 : 감광막패턴

10 : 콘택홀

Claims (4)

1. 반도체 기판 상에 식각장벽층과 층간절연막을 형성하는 단계;

   콘택마스크를 사용한 사진식각 공정으로 상기 층간절연막을 식각하되, 상기 층간절연막 식각 공정시 C_xF_y+ CO + Ar 혼합 가스를 식각가스로 식각하여 상기 식각장벽층을 노출시키는 단계; 및

   상기 노출된 식각 장벽층을 제거하여 콘택홀을 형성하는 단계를 포함하는 반도체소자의 콘택홀 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 C_xF_y가스를 C₂F₆, C₃F₈및 C₃F₈로 이루어지는 군에서 임으로 선택되는 하나 또는 둘 이상의 가스를 사용하는 것을 특징으로하는 반도체소자의 콘택홀 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 CO 가스 플로우량을 기준 400sccm에서 20∼30sccm 감소시켜 부분 식각 정지 현상이 일어나도록하는 것을 특징으로하는 반도체소자의 콘택홀 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 Ar 가스를 기준 400sccm에서 30∼70sccm 정도를 감소시켜 부분 식각정지 현상이 일어나도록하는 것을 특징으로하는 반도체소자의 콘택홀 제조방법.