KR100306374B1 - 반도체소자의콘택홀형성방법 - Google Patents

반도체소자의콘택홀형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속배선 및 실리콘기판의 손실을 방지하여 원하는 위치에 콘택홀을 형성하는데 적합한 반도체 소자의 콘택홀 형성방법에 관한 것으로, 소정 공정이 완료된 실리콘기판상에 산화막과 질화막을 포함하는 다층의 층간절연막을 형성하는 단계; 및 다량의 수소가 함유된 카본계 플라즈마를 사용하여 상기 층간절연막을 선택적으로 식각하여 상기 실리콘기판을 노출시키는 콘택홀을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.

Description

반도체 소자의 콘택홀 형성방법{METHOD FOR FORMING CONTACT HOLE IN SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 반도체소자의 콘택홀 형성방법에 관한 것으로, 특히 질화막 및 산화막으로 이루어진 다층구조의 층간절연막을 식각하여 콘택홀을 형성하는 공정시 수소기(H-radical)를 많이 함유한 플라즈마를 사용함으로써 질화막 및 산화막의 식각은 용이하게 하면서 실리콘에 대해서는 높은 식각선택비를 얻을 수 있도록 하는 반도체소자의 콘택홀 형성방법에 관한 것이다.
도 1a 내지 도 1c를 참조하여 종래기술에 의한 다층구조의 절연막을 식각하여 콘택홀을 형성하는 방법에 대해 설명한다.
먼저, 도 1a를 참조하면, 실리콘기판(1)상에 하부구조(도시하지 않음)를 형성하고 하부배선(2)을 형성한 다음, BPSG등의 산화막으로 제 1 층간절연막(3)을 형성하고 플로우한 후, 예컨대 질화막으로 제 2 층간절연막(4)을 형성한다. 이어서 상부배선(5)을 형성하고, 그 전면에 BPSG등의 산화막으로 제 3 층간절연막(6)을 증착하고 플로우한 다음, 콘택홀 형성용 감광막 마스크패턴(7)을 형성한다. 여기서, 주로 BPSG산화막이 이용되는 제1 및 제 3 층간절연막(3,6)은 소자의 평탄화를 위해 적용되며, 주로 질화막으로 이루어지는 제 2 층간절연막(4)은 질화막 장벽 자기정렬 콘택에서의 식각저지막으로 통상 사용된다. 또한, 상기 감광막 마스크패턴(7)은 통상적으로 상부배선(5)과 실리콘기판(1)의 소정부분을 동시에 오픈시키도록 형성된다.
다음에 도 1b를 참조하면, 상기 감광막패턴(7)을 마스크로 이용하여 층간절연막들을 식각하는 바, 상기와 같이 산화막 및 질화막이 동시에 존재하는 다층구조의 층간절연막의 콘택홀 식각에서는 주로 폴리실리콘으로 이루어진 상부배선(5)에서는 식각이 중지되어 하부배선(2)과의 단락이 생기지 않아야 하며, 주로 질화막인 제2층간절연막(4)은 식각이 잘되어 실리콘기판까지 콘택이 형성되어야 한다.
상기와 같이 콘택홀을 형성하기 위해서 종래 CF계열의 플라즈마를 사용하여 건식식각을 행하여 왔다. 그러나 도 1b에 나타낸 바와 같이 상부배선(5)에서는 식각이 중지되어 문제가 없으나 질화막에서 역시 식각이 중지되어 실리콘기판을 노출시키는 콘택홀이 제대로 형성되지 않는 문제가 있었다.
또한, 도 1c에 나타낸 바와 같이 질화막은 식각이 잘되어 실리콘기판까지 콘택이 형성되었으나, 상부배선(5)에서도 식각이 잘되어 하부배선까지 식각됨으로써 상하부 배선간에 단락이 생기는 문제가 있다. 도 3a 및 도 3b에 도 1b 및 도 1c의 문제점을 사진으로 나타내었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 질화막 및 산화막으로 이루어진 다층구조의 층간절연막을 식각하여 콘택홀을 형성하는 공정시 H기를 많이 함유한 CH2F2플라즈마를 사용함으로써 질화막 및 산화막의 식각은 용이하게 하면서 실리콘에 대해서는 높은 식각선택비를 얻을 수 있도록 하는 반도체소자의 콘택홀 형성방법에 관한 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 종래기술에 의한 다층구조의 층간절연막에 콘택홀을 형성하는 방법을 도시한 공정순서도,
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 의한 다층구조의 층간절연막에 콘택홀을 형성하는 방법을 도시한 공정순서도,
도 3a 및 도 3b는 종래기술의 문제점을 도시한 사진,
도 4는 본 발명을 적용하여 형성한 콘택홀의 단면을 도시한 사진.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
11 : 실리콘기판 12 : 하부배선
13 : 제 1 층간절연막 14 : 제 2 층간절연막
15 : 상부배선 16 : 제 3 층간절연막
17 : 감광막패턴 20 : 콘택홀
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체소자의 콘택홀 형성방법은 소정 공정이 완료된 실리콘기판상에 산화막과 질화막을 포함하는 다층의 층간절연막을 형성하는 단계; 및 다량의 수소가 함유된 카본계 플라즈마를 사용하여 상기 층간절연막을 선택적으로 식각하여 상기 실리콘기판을 노출시키는 콘택홀을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 2a 및 도 2b를 참조하여 본 발명에 따른 반도체소자의 콘택홀 형성방법을 설명한다.
먼저, 도 2a를 참조하면, 실리콘기판(11)상에 하부구조(도시하지 않음)를 형성하고 폴리실리콘으로 이루어진 하부배선(12)을 형성한 다음, 그 위에 BPSG등의 산화막으로 제1층간절연막(13)을 형성하고 플로우한 후, 예컨대 질화막으로 제2층간절연막(14)을 형성한다. 이어서 폴리실리콘으로 이루어진 상부배선(15)을 형성하고, 그 전면에 BPSG등의 산화막으로 제3층간절연막(16)을 증착하고 플로우한 다음, 콘택홀 형성용 감광막 마스크패턴(17)을 형성한다. 여기서, 주로 BPSG산화막이 이용되는 제1 및 제3층간절연막(13,16)은 소자의 평탄화를 위해 적용되며, 주로 질화막으로 이루어지는 제2층간절연막(14)은 질화막 장벽 자기정렬 콘택에서의 식각중지막으로 통상 사용된다. 또한, 상기 감광막 마스크패턴(17)은 통상적으로 상부배선(15)과 실리콘기판(11)의 소정부분을 동시에 오픈시키도록 형성된다.
상기와 같이 산화막 및 질화막이 동시에 존재하는 다층구조의 층간절연막의 콘택홀 식각에서는 주로 폴리실리콘으로 이루어진 상부배선(15)에서는 식각이 중지되어 하부배선(12)과의 단락이 생기지 않아야 하며, 주로 질화막인 제2층간절연막(14)은 식각이 잘되어 실리콘기판(11)까지 콘택이 형성되어야 한다. 이를 위해 본 발명은 도 2b에 도시한 바와 같이 CF가스에 H기를 많이 함유한 가스로서, 예컨대 CH2F2가스를 첨가한 플라즈마를 이용하여 상기 층간절연막들(13,14,15)을 식각하여 상부배선(15) 및 실리콘기판(11) 소정부분을 노출시키는 콘택홀(20)을 형성한다. 상기와 같이 CF가스에 H기를 많이 함유한 가스로서, 예컨대 CH2F2가스를 첨가함으로써 플라즈마내에서의 다음과 같은 해리반응을 유도한다.
CH2F2--> nCHx+ nF
상기 화학식 1에서 유도된 다량의 CHx는 실리콘에 대해 다음 화학식과 같이 폴리머를 생성한다.
Si + CHx--> SixCyHz(↓)
상기 화학식 2와 같이, 다량의 CHX기는 실리콘(Si)과 반응하여 불휘발성 폴리머를 생성하여 실리콘기판 및 상부배선 표면에 적층되어 식각을 방지한다.
그리고 층간절연막 중 질화막에 대해서는 다음 화학식과 같은 반응이 일어난다.
Si3N4+ CHx--> CxHyNz(↑) + SixHy(↑)
상기 화학식3과 같이 다량의 CHX는 질화막과 반응 후 휘발하므로 제 2 층간절연막(14)인 질화막에서 식각중지되는 일 없이 식각이 계속 진행되어 실리콘기판(11)까지 콘택을 형성할 수 있다. 도 4에 본 발명을 적용하여 반도체소자의 콘택홀을 형성한 경우의 사진을 도시하였다.
상기한 바와 같이 본 발명은 콘택홀 식각시 CH나 CH2F2를 포함한 플라즈마 또는 CH3F나 H2를 포함한 플라즈마를 사용하여 다량의 CHx를 유도하여 실리콘에 대해서는 높은 선택비를 가지며 질화막에 대해서는 낮은 선택비를 가지게 하여 상기 층간절연막들을 식각한다. 이때, ICP(Induced Coupled Plasma), TCP(Transfer CoupledPlasma) 또는 ECR(Electron Cyclotron Resonance) 플라즈마 식각장치를 이용하여 식각을 행하는 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명에 의하면, 질화막 및 산화막으로 이루어진 다층구조의 층간절연막을 식각하여 콘택홀을 형성하는 공정시 H기를 많이 함유한 CH2F2플라즈마를 사용함으로써 질화막 및 산화막의 식각은 용이하게 하면서 실리콘에 대해서는 높은 식각선택비를 얻을 수 있으므로 콘택홀을 원하는 위치에 정확하게 형성함으로써 반도체소자의 수율과 특성향상을 기대할 수 있다.

Claims (12)

  1. 소정 공정이 완료된 실리콘기판상에 산화막과 질화막을 포함하는 다층의 층간절연막을 형성하는 단계; 및
    다량의 수소가 함유된 카본계 플라즈마를 사용하여 상기 층간절연막을 선택적으로 식각하여 상기 실리콘기판을 노출시키는 콘택홀을 형성하는 단계
    를 포함하여 이루어지는 반도체 소자의 콘택홀 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다층의 층간절연막은 산화막과 질화막 및 산화막이 차례로 적층된 것을 특징으로 하는 반도체소자의 콘택홀 형성방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 다층의 층간절연막은 산화막과 실리콘 옥시나이트라이드 및 산화막이 차례로 적층된 것을 특징으로 하는 반도체소자의 콘택홀 형성방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다층의 층간절연막을 식각할 시, 상기 질화막에 대해서는 저식각선택비로 식각이 진행되고 상기 실리콘기판에 대해서는 고식각선택비로 식각이 중지되도록 하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 콘택홀 형성방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 카본계 플라즈마는 CH2F2가스를 포함한 플라즈마를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 콘택홀 형성방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 카본계 플라즈마는 CH2F2또는 H2가스를 포함한 플라즈마를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 콘택홀 형성방법.
  7. 반도체 소자의 제조 방법에 있어서,
    실리콘기판상에 하부배선을 형성하는 단계;
    상기 하부배선상에 제 1 층간절연막과 제 2 층간절연막을 차례로 형성하는 단계;
    상기 제 2 층간절연막 상부에 상부배선을 형성하는 단계;
    상기 상부배선상에 제 3 층간절연막을 형성하는 단계; 및
    상기 제 1, 2, 3 층간절연막을 다량의 수소가 함유된 카본계 플라즈마를 사용하여 선택적으로 식각하여 상기 상부배선 및 실리콘기판을 노출시키는 콘택홀들을 동시에 형성하는 단계
    를 포함하는 반도체소자의 콘택홀 형성방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 다층의 층간절연막은 산화막과 질화막 및 산화막이 차례로 적층된 것을 특징으로 하는 반도체소자의 콘택홀 형성방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 다층의 층간절연막은 산화막과 실리콘 옥시나이트라이드 및 산화막이 차례로 적층된 것을 특징으로 하는 반도체소자의 콘택홀 형성방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 다량의 수소가 함유된 카본계 플라즈마를 사용하여 층간절연막들을 식각하는 단계에서 다량이 CHx기가 유도되어 상기 실리콘기판에 대해서는 높은 선택비로, 상기 층간절연막 중 질화막에 대해서는 낮은 선택비로 식각이 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 콘택홀 형성방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 카본계 플라즈마는 CH2F2가스를 포함한 플라즈마를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 콘택홀 형성방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 카본계 플라즈마는 CH2F2또는 H2가스를 포함한 플라즈마를 사용하는 반도체소자의 콘택홀 형성방법.
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