KR100259069B1 - Method for etching multilayer film of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자의 다층막 식각방법에 대한 것으로 특히, 식각 프로파일이 안정적인 반도체 소자의 다층막 식각방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for etching a multilayer film of a semiconductor device, and more particularly, to a method for etching a multilayer film of a semiconductor device having a stable etching profile.
반도체 소자가 고집적화 되면서 고속의 LSI의 필요성이 더욱커지고 있다. 이를 만족시키기 위해 저항이 낮은 금속게이트에 대한 관심이 커지고 있다. 이중 특히 폴리실리콘층상에 텅스텐(W)이나 몰리부덴(Mo)이나 실리사이드 중에 하나가 증착된 저저항 금속게이트에 대한 연구가 활발히 진행중이다.As semiconductor devices are highly integrated, the need for high-speed LSI is increasing. In order to satisfy this, there is a growing interest in low-resistance metal gates. In particular, research is being actively conducted on low-resistance metal gates in which one of tungsten (W), molybdenum (Mo) or silicide is deposited on a polysilicon layer.
첨부 도면을 참조하여 종래 반도체 소자의 다층막 식각방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a method of etching a multilayer film of a conventional semiconductor device will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1a 내지 1c는 종래 반도체 소자의 다층막 식각방법을 나타낸 공정단면도이다.1A to 1C are cross-sectional views illustrating a method of etching a multilayer film of a conventional semiconductor device.
종래 반도체 소자의 다층막 식각방법은 도 1a에 도시한 바와 같이 반도체 기판(1)에 실리콘산화막(2)과 폴리실리콘층(3)을 차례로 증착한다. 그리고 폴리실리콘층(3)상에 티타늄 나이트라이드(TiN)나 텅스텐 실리콘 나이트라이드(WSiN)와 같은 물질을 증착하여 확산방지막(4)을 형성한다. 이후에 확산방지막(4)상에 텅스텐이나 몰리부덴(Mo)을 증착하여 금속층(5)을 형성한다. 또는 확산방지막(4)과 금속층(5)을 증착하지 않고 직접 금속실리사이드를 증착할 수 도 있다. 그리고 금속층(5)상에 질화막이나 산화막을 증착하여 하드마스크층(6)을 형성한다. 하드마스크층(6)상에 감광막(7)을 도포한 후에 노광 및 현상공정으로 소정부분을 선택적으로 패터닝한다.In the multilayer film etching method of the conventional semiconductor device, as shown in FIG. 1A, the
도 1b에 도시한 바와 같이 패터닝된 감광막(7)을 마스크로 이용하여 하드마스크층(6)을 상기 금속층(5)이 드러나도록 이방성 식각한 후에 감광막(7)을 제거한다.As shown in FIG. 1B, the photoresist layer 7 is removed after anisotropic etching of the
도 1c에 도시한 바와 같이 식각된 하드마스크층(6)을 마스크로 이용하여 먼저 플로린가스, SF6, NF3+HCl, HBr, Cl2, Br2, 그리고 CCl4를 서로 혼합한 가스로 금속층(5)과 확산방지막(4)과 폴리실리콘층(3)을 소정깊이로 이방성 식각한다. 이후에 SiCl4+인너가스(inert gas), N2, O2, 그리고 CO 혹은 HBr가스를 이용하여 폴리실리콘층(3)을 실리콘산화막(2)이 드러날때까지 식각한다. 이때 식각가스에 의해서 실리콘산화막(2)상에 식각잔여물(7)이 생길 수 있다.As shown in FIG. 1C, the metal layer is a gas obtained by mixing Florin gas, SF 6 , NF 3 + HCl, HBr, Cl 2 , Br 2 , and CCl 4 with each other using the etched
상기와 같은 종래 반도체 소자의 제조방법은 다음과 같은 문제가 있다.The conventional method of manufacturing a semiconductor device as described above has the following problems.
첫째, 다층막을 식각하기 위해서 먼저 플로린계와, 클로린계와, 브로마인계 가스를 혼용해서 쓰기 때문에 챔버의 벽에 폴리머가 증착되므로 공정 재현성이 떨어지고 세정 주기가 짧다.First, in order to etch the multilayer film, first, a mixture of florin-based, chlorine-based, and bromine-based gases is used, so that polymers are deposited on the walls of the chamber, resulting in poor process reproducibility and short cleaning cycles.
둘째, 상부 금속층과 폴리실리콘층 사이에 언더컷을 방지하기 위하여 Br계가스를 사용하여 측벽 보호막을 형성하고 있으나 브로마이드 반응 프로덕트의 기상압력이 낮아서 식각된 표면에 식각잔여물이 남기 때문에 별도의 세정 공정이 요구된다.Second, sidewall protection layer is formed by using Br-based gas to prevent undercut between the upper metal layer and the polysilicon layer. Required.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출한 것으로 식각공정의 재현성을 높이고 수직프로파일을 갖는 반도체 소자의 다층막 식각방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a multilayer film etching method of a semiconductor device having a vertical profile and improving the reproducibility of the etching process to solve the above problems.
도 1a 내지 1c는 종래 반도체 소자의 다층막 식각방법을 나타낸 공정단면도1A through 1C are cross-sectional views illustrating a method of etching a multilayer film of a conventional semiconductor device.
도 2a 내지 2c는 본 발명 반도체 소자의 다층막 식각방법을 나타낸 공정단면도2A through 2C are cross-sectional views illustrating a method of etching a multilayer film of a semiconductor device according to the present invention.
도 3은 플로린 식각가스에 산소가스만 넣어 반도체 소자의 다층막을 식각하였을 때의 사진FIG. 3 is a photograph of when a multilayer film of a semiconductor device is etched by only putting oxygen gas into a fluorine etching gas
도 4는 본 발명에 따라 반도체 소자의 다층막을 식각하였을 때의 사진4 is a photograph when the multilayer film of the semiconductor device is etched according to the present invention.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings
21: 반도체 기판 22: 실리콘산화막21: semiconductor substrate 22: silicon oxide film
23: 폴리실리콘층 24: 확산방지막23: polysilicon layer 24: diffusion barrier
25: 금속층 26: 하드마스크층25: metal layer 26: hard mask layer
27: 감광막27: photosensitive film
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 반도체 소자의 다층막 식각방법은 제 1 절연막과 반도체층과 확산방지막과 금속층이 차례로 증착되어 있는 반도체 기판에 있어서, 상기와 같이 다층막이 형성된 상기 반도체기판을 제 1 챔버에 넣은 후 카본을 함유하지 않은 프로린 식각가스와 산소가스와 질소가스를 혼합한 식각가스를 주입하여 상기 금속층과 상기 확산방지막을 식각한 후에 상기 반도체층을 소정깊이까지 식각하는 단계, 상기와 같이 소정깊이 식각된 반도체층이 있는 상기 반도체기판을 제 2 챔버에 넣은 후 클로린 가스와 산소가스를 혼합한 식각가스를 주입하여 상기 반도체층을 과도식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The multilayer film etching method of the semiconductor device of the present invention for achieving the above object is a semiconductor substrate in which a first insulating film, a semiconductor layer, a diffusion barrier film and a metal layer are sequentially deposited, the first semiconductor substrate having a multilayer film as described above Injecting the carbon-containing proline etching gas, the etching gas containing oxygen gas and nitrogen gas, and etching the metal layer and the diffusion barrier layer, and then etching the semiconductor layer to a predetermined depth. And inserting the semiconductor substrate having the semiconductor layer etched into a predetermined depth into the second chamber, and injecting an etching gas mixed with chlorine gas and oxygen gas to overetch the semiconductor layer.
첨부 도면을 참조하여 본 발명 반도체 소자의 다층막 식각방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.Referring to the accompanying drawings, a method of etching a multilayer film of a semiconductor device of the present invention will be described.
도 2a 내지 2c는 본 발명 반도체 소자의 다층막 식각방법을 나타낸 공정단면도이고, 도 3은 플로린 식각가스에 산소가스만 넣어 반도체 소자의 다층막을 식각하였을 때의 사진이며, 도 4는 본 발명에 따라 반도체 소자의 다층막을 식각하였을 때의 사진이다.2A to 2C are cross-sectional views illustrating a method of etching a multilayer film of a semiconductor device according to the present invention, and FIG. 3 is a photograph when the multilayer film of a semiconductor device is etched by adding only oxygen gas to a fluorine etching gas, and FIG. It is a photograph when the multilayer film of an element is etched.
반도체 소자의 다층막 식각방법은 도 2a에 도시한 바와 같이 반도체 기판(21)에 실리콘산화막(22)과 폴리실리콘층(23)을 차례로 적층한다. 그리고 폴리실리콘층(23)상에 티타늄 나이트라이드(TiN)나 WSiN와 같은 물질을 증착하여 확산방지막(24)을 형성한다. 이후에 확산방지막(24)상에 텅스텐이나 몰리부덴(Mo)을 증착하여 금속층(25)을 형성한다. 여기에서 상기 확산방지막(24)과 금속층(25)을 증착하는 대신에 직접 금속실리사이드를 증착하여도 된다. 그리고 금속층(25)상에 질화막이나 산화막을 증착하여 하드마스크층(26)을 형성한다. 이후에 하드마스크층(26)상에 감광막(27)을 도포한 후 노광 및 현상공정으로 소정부분을 선택적으로 패터닝한다.In the multilayer film etching method of the semiconductor device, as illustrated in FIG. 2A, the
도 2b에 도시한 바와 같이 패터닝된 감광막(27)을 마스크로 이용하여 하드마스크층(26)을 상기 금속층(25)이 드러나도록 이방성 식각한 후에 감광막(27)을 제거한다.As shown in FIG. 2B, the
도 2c에 도시한 바와 같이 식각된 하드마스크층(26)을 마스크로 이용하여 먼저 플로린 식각가스 챔버에 폴리머 생성의 원인이 되는 카본(carbon)을 함유하지 않은 플로린가스와, SF6와, NF3+O2+N2혼합가스를 주입하여 금속층(25)과 확산방지막(24)과 폴리실리콘층(23)을 이방성 식각한다. 이때 폴리실리콘층(23)은 소정깊이 까지만 식각되도록 한다. 이때 산소가스(O2)는 총유량의 10∼30% 범위가 되도록 주입하고, 질소가스(N2)는 총유량의 40∼80% 범위가 되도록 주입한다. 그리고 이때 반도체 기판(21)의 온도는 -20℃∼60℃의 범위가 되도록 진행하며, 소오스파워는 300∼1000Watt 범위가 되도록 하고, 바이어스 파워는 30∼200Watt 범위가 되도록 하며 챔버의 압력은 2∼10m Torr가 되도록 한다. 이때 플로린 식각가스 챔버는 헬리콘(Helicon)이나 헬리칼(Helical)이나 티씨피(Transformer Coupled Plasma:TCP)나 이씨알(Electron Cyclotron Resonance:ECR)과 같은 고밀도 식각장비를 사용한다.Using the etched
다음에 클로린 식각가스 챔버에서 Cl2+O2가스를 10:1에서 2.5:1의 혼합비를 갖도록 주입하여 식각되지 않은 폴리실리콘층(23)을 오버식각한다.Next, in the chlorine etching gas chamber, Cl 2 + O 2 gas is injected to have a mixing ratio of 10: 1 to 2.5: 1 to overetch the
여기서 플로린 식각가스 챔버에 주입되는 산소가스(O2)는 폴리실리콘층(23)의 측면에 쉽게 보호막을 형성하여 폴리실리콘층(23)의 측면이 식각되는 것을 방지하는 역할을 하고, N2가스는 금속층(25)의 측벽에 보호막을 형성하여 금속층(25)의 측면이 과도식각되는 것을 방지하는 역할을 한다.Here, the oxygen gas (O 2 ) injected into the florin etching gas chamber serves to prevent the side surface of the
그리고 클로린 식각가스 챔버에서 Cl2+O2와 같은 식각가스를 이용하여 폴리실리콘층(23)을 식각할 때는 하부의 실리콘산화막(22)과 200:1이상의 선택비를 갖고 수직하게 폴리실리콘층(23)을 식각할 수 있다.In the chlorine etching gas chamber, when the
플로린 식각가스 챔버에 플로린가스와 산소가스만을 주입하여 다층막을 식각하였을 경우에는 도 3에 도시한 바와 같이 폴리실리콘층(23)까지 수직하게 식각되지 못하고 폴리실리콘층(23)이 언더에치되는 현상이 나타난다.When the multilayer film is etched by injecting only florin gas and oxygen gas into the fluorine etching gas chamber, as shown in FIG. 3, the
그리고 본 발명과 같이 플로린 식각가스 챔버와 클로린 식각가스 챔버를 통하여 다층막을 식각할 경우에 도 4에 도시한 바와 같이 폴리실리콘층(23)까지 수직한 프로파일을 갖고 식각됨을 알 수 있다.In addition, when the multilayer film is etched through the fluorine etching gas chamber and the chlorine etching gas chamber as in the present invention, as shown in FIG. 4, the
상기와 같은 본 발명 반도체 소자의 다층막 식각방법은 다음과 같은 효과가 있다.The multilayer film etching method of the semiconductor device of the present invention as described above has the following effects.
첫째, 식각장비를 오염시키는 가장 큰 원인인 폴리머 생성을 주도하는 카본을 포함한 플로린 가스를 사용하지 않으므로 식각 챔버의 오염을 줄이고, 공정재현성 및 세정 주기를 개선시킬 수 있다.First, it is possible to reduce the contamination of the etching chamber and improve the process reproducibility and the cleaning cycle since it does not use the florin gas containing carbon which leads the polymer generation, which is the biggest cause of contamination of the etching equipment.
둘째, 플로린 가스와 클로린 식각가스가 혼용되어 식각되지 않으므로 혼용가스에 의한 챔버의 오염없이 공정을 진행할 수있다.Second, since the florin gas and the chlorine etching gas are not mixed and etched, the process can be performed without contamination of the chamber by the mixed gas.
셋째, 브로마인 가스를 전혀 사용하지 않으므로 식각잔여물이 발생하는 것을 방지할 수 있다.Third, since no bromine gas is used, it is possible to prevent the etching residues from occurring.
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