KR100395908B1 - Method for manufacturing an alignment key of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 얼라인먼트 키 제조방법에 관한 것으로서, 이 방법은 반도체 기판 상부에 식각 방지막을 형성하고 식각 방지막 및 기판을 식각하여 트렌치를 형성하며, 트렌치에 충진막을 소정 두께로 매립하여 얼라인먼트 키를 형성하며, 결과물에서 제 1영역의 얼라인먼트 키 상부에만 제 1포토레지스트 패턴을 형성하며, 결과물에서 제 1포토레지스트 패턴이 오픈되고 제 2영역의 얼라인먼트 키가 오픈되는 제 2포토레지스트 패턴을 형상하며, 제 1 및 제 2포토레지스트 패턴을 식각하여 제 1 및 제 2영역의 트렌치에 각각 남아 있고 서로 다른 단차를 갖는 충진막에 의해 제 1얼라인먼트 키와 제 2얼라인먼트 키를 동시에 형성한다. 그러므로 본 발명은 얼라인먼트 키의 오픈시 포토레지스트를 이중으로 사용하고 노광함으로써 각각의 얼라인트먼트 키에 대해 식각되는 깊이를 조정하여 각 스텝별로 달리 사용하는 얼라인먼트 키를 확보할 수 있으며 각 스텝별로 발생하는 산화막의 손실을 고려하여 일정한 얼라인먼트 키의 단차를 유지할 수 있다.The present invention relates to a method for manufacturing an alignment key of a semiconductor device. The method includes forming an etch stop layer on an upper surface of a semiconductor substrate, etching the etch stop layer and the substrate to form a trench, and filling the trench with a predetermined thickness to form an alignment key. Forming a first photoresist pattern only on the alignment key of the first region in the resultant, forming a second photoresist pattern in which the first photoresist pattern is opened and the alignment key of the second region is opened; The first and second photoresist patterns are etched to simultaneously form the first alignment key and the second alignment key by filling layers having different steps and remaining in the trenches of the first and second regions, respectively. Therefore, according to the present invention, the alignment key used differently for each step can be secured by adjusting the depth etched with respect to each alignment key by double-using and exposing the photoresist when the alignment key is opened. In consideration of the loss of the oxide film, it is possible to maintain a constant alignment key step.
Description
본 발명은 반도체 제조방법에 관한 것으로서, 특히 반도체 공정중에 각 스텝마다 달라지는 얼라인먼트 키(alignment key)의 깊이를 맞추어 노광 공정시 발생하는 얼라인먼트의 불량 방지와 적정한 오버레이값을 확보할 수 있는 반도체 소자의 얼라인먼트 키 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor manufacturing method, and more particularly, to an alignment of a semiconductor device capable of preventing defects of an alignment occurring during an exposure process and ensuring an appropriate overlay value by adjusting the depth of an alignment key that varies with each step during a semiconductor process. It relates to a key manufacturing method.
반도체 제조 공정중에서 집적회로의 집적밀도를 향상시키기 위해서는 포토리소그래피 기술과 식각 공정이 가장 중요하며, 이 포토리소그래피 기술은 소자(device)의 고집적화에 따라 요구되는 패턴(pattern)의 미세화 및 층간 오버랩(overlap) 정도(精度) 향상 등에 대응하여 노광기, 레지스트(resist) 재료, 제조 등의 고성능화를 진행함으로써 그 요구를 수용해 왔다.Photolithography technology and etching process are the most important to improve the integrated density of integrated circuits in semiconductor manufacturing process, and this photolithography technology is required to minimize the pattern and overlap between layers due to the high integration of devices. In response to the improvement of the accuracy, the demand for the exposure apparatus, the resist material, the manufacturing, and the like has been advanced.
이러한 포토리소그래피 기술의 여러가지 조건중에서 특히, 노광장치의 노광기 종류와 노광방식이 다양화함에 따른 웨이퍼 대 웨이퍼(wafer to wafer), 쇼트 대 쇼트(shot to shot; 혹은 칩 대 칩)의 중심관리가 필수적이다. 즉, 반도체 사이즈(size)의 다양화 및 복잡화에 대응하여 노광기의 중심과 맞는 레티클(reticle) 마스크 및 웨이퍼의 중심을 정밀도 높게 일치시키는 것이 필수적으로 요구되고 있다. 이를 위해서 웨이퍼상에 얼라인먼트 키(alignment key)를 형성해서 레티클과 의 위치를 얼라인시킨다. 즉, 스테퍼(stepper)의 얼라인먼트(alignment)부에 있는 레이저(laser)가 웨이퍼 기판에 형성되어 있는 얼라인먼트 키에 조사되어 반사될 때, 얼라인먼트 키의 요철에 의해 형성된 간섭 무늬의 명암을 검출부에서 인식하여 웨이퍼와 레티클의 위치를 조정함으로써 얼라인이 이루어진다.Among the various conditions of the photolithography technology, in particular, central management of wafer to wafer and shot to shot (chip to chip) is essential as the exposure apparatus types and exposure methods of the exposure apparatus are diversified. to be. That is, in response to the diversification and complexity of the semiconductor size, it is essential to precisely match the center of the reticle mask and the wafer with the center of the exposure machine with high accuracy. To do this, an alignment key is formed on the wafer to align the position with the reticle. That is, when the laser beam at the alignment portion of the stepper is irradiated and reflected on the alignment key formed on the wafer substrate, the detection unit recognizes the intensity of the interference fringe formed by the unevenness of the alignment key. Alignment is achieved by adjusting the position of the wafer and the reticle.
한편, 종래 기술에 의한 소자분리막은 LOCOS(LOCalOxidation of Silicon) 형태로 제조되었으나, 소자분리막의 측면확산 및 버즈비크(bird's beak)에 의해 소자분리영역의 폭을 감소시킬 수 없으며 평평한 표면을 얻을 수 없었다. 따라서, 소자설계치수가 서브미크론(submicron) 이하로 줄어드는 대용량의 메모리소자에 있어서는 LOCOS 기술의 적용이 불가능하기 때문에 STI(Shallow Trench Isolation) 구조의 소자분리 기술을 사용하고 있다.Meanwhile, the device isolation layer according to the related art is manufactured in the form of LOCOS (LOCal Oxidation of Silicon), but the width of the device isolation region cannot be reduced due to the side diffusion and the bird's beak, and a flat surface cannot be obtained. . Therefore, the LOCOS technology cannot be applied to a large-capacity memory device whose device design dimension is reduced to submicron or less, and thus, a device isolation technology having a shallow trench isolation (STI) structure is used.
이러한 종래의 STI 공정 후에는 소자분리막을 형성한 후 CMP(Chemical Mechanical Polishing)로 평탄화하기 때문에 반도체기판 표면의 단차가 제거되어 후속 포토리소그래피 공정을 위한 얼라인먼트 키가 형성되지 않는다.After the conventional STI process, since the device isolation layer is formed and then planarized by chemical mechanical polishing (CMP), the step difference on the surface of the semiconductor substrate is removed so that an alignment key for a subsequent photolithography process is not formed.
그런데, ASMLNICON 노광장비에서는 얼라인먼트 키의 단차를 약 1200Å정도 요구하기 때문에 노광 공정시 웨이퍼 얼라인먼트 불량 및 오버레이값에 대한 균일도 불량이 발생할 우려가 있었다.However, since the ASMLNICON exposure apparatus requires about 1200 kW of the alignment key, there is a concern that the wafer alignment defect and the uniformity against the overlay value may occur during the exposure process.
이에 종래 기술의 STI 공정에서는 CMP(Chemical Mechanical Polishing)후에 진행하는 키 오픈 마스크(key open mask)를 적용하여 일괄적으로 얼라인먼트 키를 노광 장비에서 요구하는 단차(예를 들어, 약 1200Å)로 형성하였다. 하지만, STI CMP후에 진행하는 키 오픈 마스크에서 얼라인먼트 불량이 발생할 우려가 있었고, 키 오픈시 약 1200Å의 단차는 추후 발생하는 산화막의 손실을 고려하지 않고 형성된 것이므로 사용하는 얼라인먼트 키에서 식각 손상의 문제가 발생할 수 있고 또한 각 공정별로 상이한 얼라인먼트 키의 깊이를 가지므로 몇몇 공정에서 얼라인먼트 불량이 발생할 가능성이 있었다.In the STI process of the prior art, an alignment key is collectively formed into a step required by an exposure apparatus by applying a key open mask that is performed after CMP (Chemical Mechanical Polishing). . However, there was a risk of alignment misalignment in the key open mask that proceeds after the STI CMP, and a problem of etching damage may occur in the alignment key used because the step of about 1200 ms during the key opening is formed without considering the loss of the oxide film. In addition, there is a possibility that alignment defects may occur in some processes because each process has a different depth of alignment key.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 얼라인먼트 키의 오픈시 포토레지스트를 이중 코팅하여 각각 노광함으로써 각각의 얼라인트먼트 키에 대해 식각되는 깊이를 조정하여 각 스텝별로 달리 사용하는 얼라인먼트 키를 확보할 수 있으며 각 스텝별로 발생하는 산화막의 손실을 고려하여 일정한 얼라인먼트 키의 단차를 유지할 수 있는 반도체 소자의 얼라인먼트 키 제조방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to use a different coating for each step by adjusting the depth etched for each alignment key by double-coating the photoresist at the time of opening the alignment key in order to solve the problems of the prior art as described above The present invention provides an alignment key manufacturing method of a semiconductor device capable of securing an alignment key and maintaining a constant level of an alignment key in consideration of loss of an oxide film generated at each step.
도 1 내지 도 8은 본 발명에 따른 반도체 소자의 얼라인먼트 키 제조공정을 순차적으로 나타낸 공정 순서도.1 to 8 are process flowcharts sequentially showing an alignment key manufacturing process of a semiconductor device according to the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10 : 반도체 기판 12 : 식각 장벽막10 semiconductor substrate 12 etching barrier film
14 : 충진막 18 : 제 1포토레지스트14: filling film 18: first photoresist
18' : 제 1포토레지스트 패턴 20 : 제 2포토레지스트18 ': first photoresist pattern 20: second photoresist
20' : 제 2포토레지스트 패턴 24 : 제 1얼라인먼트 키20 ': second photoresist pattern 24: first alignment key
26 : 제 2얼라인먼트 키 100 : 제 1얼라인먼트 키 영역26: second alignment key 100: first alignment key area
200 : 제 2얼라인먼트 영역200: second alignment area
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 반도체 소자의 얼라인먼트 키를 형성하는 방법에 있어서, 반도체 기판 상부에 식각 방지막을 형성하고 식각 방지막 및 기판을 식각하여 트렌치를 형성하는 단계와, 트렌치에 충진막을 소정 두께로 매립하여 얼라인먼트 키를 형성하는 단계와, 결과물에서 제 1영역의 얼라인먼트 키 상부에만 제 1포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와, 결과물에서 제 1포토레지스트 패턴이 오픈되고 제 2영역의 얼라인먼트 키가 오픈되는 제 2포토레지스트 패턴을 형상하는 단계와, 제 1 및 제 2포토레지스트 패턴을 식각하여 제 1 및 제 2영역의 트렌치에 각각 남아 있고 서로 다른 단차를 갖는 충진막에 의해 제 1얼라인먼트 키와 제 2얼라인먼트 키를 동시에 형성하는 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for forming an alignment key of a semiconductor device, the method comprising: forming an trench to form an etch stop layer on an upper surface of a semiconductor substrate and etching the etch stop layer and the substrate; Forming an alignment key in the resultant, forming a first photoresist pattern only on the alignment key of the first region in the resultant, opening the first photoresist pattern and opening the alignment key in the second region. Forming a second photoresist pattern, and etching the first and second photoresist patterns, respectively, in the trenches of the first and second regions and filling the first alignment key and the first alignment key by a filling film having different steps. Simultaneously forming two alignment keys.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1 내지 도 8은 본 발명에 따른 반도체 소자의 얼라인먼트 키 제조공정을 순차적으로 나타낸 공정 순서도이다. 도면들에서 도면 부호 100은 게이트마스크 이후 공정에서 사용될 제 1얼라인먼트 키가 형성되는 제 1영역이고, 200은 일반 공정에서 사용될 제 2얼라인먼트 키가 형성되는 제 2영역이다.1 to 8 are process flowcharts sequentially illustrating a process of manufacturing an alignment key of a semiconductor device according to the present invention. In the drawings, reference numeral 100 denotes a first region in which a first alignment key to be used in a process after the gate mask is formed, and 200 denotes a second region in which a second alignment key to be used in a general process is formed.
도 1에 도시된 바와 같이, STI 공정시 웨이퍼인 반도체 기판(10) 상부에 식각 방지막(12)으로서 질화막을 형성하고 식각 방지막(12) 및 기판(10)을 식각하여 트렌치를 형성한다. 트렌치에 충진막(14)으로서 HDP(High Density Plasma) 산화막을 소정 두께, 예컨대 5000Å로 매립하여 제 1 및 제 2영역(100, 200)에 얼라인먼트 키(16)를 형성한다. 이러한 얼라인먼트 키(16)는 트렌치에 매립된 HDP 산화막(14)의 단차가 있기 때문에 노광 장비에서 얼라인을 측정하는데 문제가 되지 않는다. 하지만 종래 기술에서는 STI 공정이후 CMP로 HDP 산화막(14)을 평탄화하기 때문에 노광 공정시 얼라인먼트의 불량을 유발할 가능성이 있다.As shown in FIG. 1, in the STI process, a nitride film is formed as an etch stop layer 12 on the semiconductor substrate 10, which is a wafer, and the etch stop layer 12 and the substrate 10 are etched to form trenches. An alignment key 16 is formed in the first and second regions 100 and 200 by filling a trench with a high density plasma (HDP) oxide film as a filling film 14 at a predetermined thickness, for example, 5000 mW. The alignment key 16 is not a problem for measuring alignment in the exposure equipment because there is a step of the HDP oxide film 14 embedded in the trench. However, in the prior art, since the HDP oxide film 14 is planarized by CMP after the STI process, there is a possibility of causing alignment defects during the exposure process.
이에 본 발명은 다음과 같은 공정에 의해 이러한 문제점을 극복한다.Accordingly, the present invention overcomes these problems by the following process.
도 2에 도시된 바와 같이, 얼라인먼트 키(16)가 형성된 결과물 전면에 제 1포토레지스트(18)를 도포한다. 이때, 제 1포토레지스트(18)는 네가티브(negative) 포토레지스트이다. 이후 식각 공정시 제 1영역(100)의 얼라인먼트 키를 게이트 마스크 공정 이후에 사용하고자 네가티브 포토레지스트를 이용하여 식각량을 적게 한다. 그리고 본 발명의 제 1포토레지스트(18)의 두께는 가능한 얇게, 예를 들면 약 1000Å이하 정도로 도포하는 것이 좋다. 이는 이후 식각 공정에서 제 1영역(100)과 제 2영역(200)의 식각 깊이를 다르게 조절하기 위한 것이기 때문이다.As shown in FIG. 2, the first photoresist 18 is coated on the entire surface of the resultant formed alignment key 16. In this case, the first photoresist 18 is a negative photoresist. Subsequently, in order to use the alignment key of the first region 100 after the gate mask process in the etching process, the etching amount is reduced by using the negative photoresist. The thickness of the first photoresist 18 of the present invention is preferably as thin as possible, for example, about 1000 kPa or less. This is because the etching depth of the first region 100 and the second region 200 is adjusted differently in the subsequent etching process.
그리고 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1포토레지스트(18)에 노광 및 현상 공정을 실시하여 제 1영역(100)의 얼라인먼트 키 상부에만 제 1포토레지스트 패턴(18')을 형성한다. 이로 인해, 제 1영역(100)의 얼라인먼트 키는 제 1포토레지스트 패턴(18')으로 마스킹되어 있다. 이때, 제 1포토레지스트 패턴(18')의 폭은 이후 노광될 오버레이 마진을 고려하여 조절한다.As shown in FIG. 3, the first photoresist 18 is exposed and developed to form the first photoresist pattern 18 ′ only on the alignment key of the first region 100. As a result, the alignment key of the first region 100 is masked by the first photoresist pattern 18 ′. In this case, the width of the first photoresist pattern 18 ′ is adjusted in consideration of the overlay margin to be subsequently exposed.
또한 먼저 네가티브 포토레지스트를 먼저 코팅하는 이유는 두 번째 코팅시 포토레지스트에 포함되어 있는 솔벤트 성부에 의해 첫 번째 포토레지스트가 녹아버리는 것을 방지하기 위해서이다. 만약 포토레지스트가 먼저 코팅하여 패턴을 형성하고 네가티브 포토레지스트를 코팅하게 되면 네가티브 포토레지스트내에 포함되어 있는 솔벤트에 의해 형성된 포지티브 포토레지스트가 녹아 내리지만 네가티브 포토레지스트로 형성하면 네가티브 포토레지스트 특성상 일단 반응을 하여 패턴이 형성되면 솔벤트에 녹지 않기 때문이다.The reason why the negative photoresist is first coated is to prevent the first photoresist from being melted by the solvents contained in the photoresist during the second coating. If the photoresist is first coated to form a pattern and then the negative photoresist is coated, the positive photoresist formed by the solvent contained in the negative photoresist melts, but when the negative photoresist is formed, the negative photoresist reacts once This is because the pattern is not dissolved in the solvent.
이어서 도 4에 도시된 바와 같이, 제 1포토레지스트 패턴(18')이 형성된 결과물 전면에 제 2포토레지스트(20)를 도포한다. 그리고 도 5에 도시된 바와 같이, 제 2포토레지스트(20)에 노광 및 현상을 공정을 진행하여 제 1포토레지스트 패턴(18')이 오픈되고 제 2영역(200)의 얼라인먼트 키가 오픈되는 제 2포토레지스트 패턴(20')을 형성한다. 이때, 제 2포토레지스트(20)는 일반적인 키 오픈을 하기 위하여 포지티브(positive) 포토레지스트를 사용한다. 여기서, 미설명된 도면 부호 22a는 제 1영역(100)의 오픈 부위이고 22b는 제 2영역(200)의 오픈 부위이다. 그리고, 본 발명은 제 2포토래지스터 패턴(20')의 간격은 제 1포토레지스트 패턴(18')의 폭보다 좁다.Next, as shown in FIG. 4, the second photoresist 20 is coated on the entire surface of the resultant on which the first photoresist pattern 18 ′ is formed. As shown in FIG. 5, the first photoresist pattern 18 ′ is opened and the alignment key of the second region 200 is opened by exposing and developing the second photoresist 20. 2 photoresist pattern 20 'is formed. In this case, the second photoresist 20 uses a positive photoresist for general key opening. Here, reference numeral 22a, which is not described, indicates an open portion of the first region 100 and 22b represents an open portion of the second region 200. In the present invention, the interval between the second photoresist pattern 20 'is smaller than the width of the first photoresist pattern 18'.
도 6에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2포토레지스트 패턴(18', 20')을 식각하여 제거한다. 이때, 식각 공정은 트렌치가 없는 기판의 충진막(14)이 드러날 때까지진행한다. 이에 따라, 제 1영역(100)의 오픈 부위에서는 제 1포토레지스트 패턴(18')이 있기 때문에 제 2영역(200)에 비해 식각되는 깊이가 달라지게 된다. 이 식각 차이는 게이트 마스크전까지 손실될 산화막의 두께(약 500Å정도)를 감안한 것이다.As shown in FIG. 6, the first and second photoresist patterns 18 ′ and 20 ′ are removed by etching. In this case, the etching process is performed until the filling film 14 of the substrate having no trench is exposed. As a result, since the first photoresist pattern 18 ′ is present at the open portion of the first region 100, the depth to be etched is different from that of the second region 200. This etching difference takes into account the thickness of the oxide film (about 500 GPa) to be lost before the gate mask.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 식각 공정에 의해 제 1 및 제 2영역(100, 200)의 트렌치에 각각 남아 있고 서로 다른 단차를 갖는 충진막에 의해 제 1얼라인먼트 키(24)와 제 2얼라인먼트 키(26)를 동시에 형성한다.As shown in FIG. 7, the first alignment key 24 and the second alignment are formed by filling layers having different steps, respectively, remaining in the trenches of the first and second regions 100 and 200 by the etching process. The keys 26 are formed at the same time.
그리고나서 도 8에 도시된 바와 같이, 제 1얼라인먼트 키(24)와 제 2얼라인먼트 키(26)가 형성된 결과물을 CMP로 연마하여 식각 방지막(12) 상부에 잔여된 충진막(14')을 모두 제거한다.Then, as shown in FIG. 8, the resultant formed with the first alignment key 24 and the second alignment key 26 is polished by CMP to remove all of the filling film 14 ′ remaining on the etch stop layer 12. Remove
그러므로, 본 발명은 게이트 마스크 이전에 이미 약 1200Å정도의 단차를 갖는 제 1 및 제 2영역(100, 200)의 얼라인먼트 키(16)를 사용하고 이후 게이트 마스크 공정 이후에는 제 1 및 제 2영역(100, 200)에 각각 서로 다른 단차(1200Å 이상)를 갖고 산화막 손실을 감안한 제 1 및 제 2얼라인먼트 키(24, 26)를 사용함으로써 노광 장비에서 얼라인먼트 불량 및 오버레이값에 대한 균일도 불량을 예방할 수 있다.Therefore, the present invention uses the alignment keys 16 of the first and second regions 100 and 200 having a step of about 1200 ms before the gate mask and the first and second regions after the gate mask process. By using the first and second alignment keys 24 and 26 having different steps (1200 μs or more) at 100 and 200, respectively, and considering the loss of oxide film, it is possible to prevent the alignment defect and the uniformity against the overlay value in the exposure equipment. .
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 제조 방법은 얼라인먼트 키만 식각할 수 있도록 키 오픈 마스크를 도입함으로써 노광장비가 요구하는 얼라인먼트 키 단차를 형성할 수 있다.As described above, the manufacturing method according to the present invention may form the alignment key step required by the exposure apparatus by introducing a key open mask to etch only the alignment key.
그리고, 본 발명은 STI CMP후 웨이퍼 평탄화에 따른 키 오픈마스크시 발생하는 얼라인먼트 불량을 방지하기 위해 CMP이전에 키 오픈 공정을 실시한다.In addition, the present invention performs a key opening process before the CMP in order to prevent alignment defects that occur during the key open mask due to wafer planarization after the STI CMP.
종래에는 모든 얼라인먼트 키를 일정하게 유지하여 각 스텝별로 달라지는 키 깊이를 충족하지 못하였으나, 본 발명에서는 각 스텝별로 달라지는 얼라인먼트 키를 형성함으로써 얼라인먼트 불량 및 오버레이값의 균일도 불량을 방지할 수 있다. 더욱이, 본 발명은 얼라인먼트 키 제조 공정시 각 스텝별로 발생하는 산화막의 손실을 고려하여 일정한 단차를 갖는 얼라인먼트 키를 제작할 수 있는 효과가 있다.Conventionally, all the alignment keys are kept constant so that the key depths varying for each step may not be satisfied. However, in the present invention, alignment keys varying for each step may be prevented to prevent alignment defects and poor uniformity of overlay values. In addition, the present invention has the effect of producing an alignment key having a predetermined step in consideration of the loss of the oxide film generated for each step in the alignment key manufacturing process.
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