KR100318443B1 - 반도체소자제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체소자 제조 공정중에서, 특히 자기정렬 콘랙홀 형성 공정에서 질화막과 층간절연막 간의 열팽창계수 차이로 인해 발생되는 질화막 깨어짐 현상을 방지할 수 있는 반도체소자 제조방법을 제공하고자 하는 것으로, 이를 위한 본 발명은 반도체소자 제조방법은, 반도체기판 상부에 다수의 게이트전극패턴을 형성하는 단계; 자기정렬콘택을위한 식각장벽용 제1질화막을 형성하는 단계; 상기 게이트전극패턴들 간의 공간을 채우면서 상기 게이트전극패턴을 덮는 층간절연막용 BPSG막을 증착 및 플로우시키는 단계; 상기 BPSG막을 상기 제1질화막이 드러날 때까지 화학적기계적연마(CMP)하여 평탄화하는 단계; 화학기상증착(CVD)으로 산화막을 증착하는 단계; 상기 산화막과 상기 질화막 및 상기 BPSG막을 통과하여 상기 반도체기판에 콘택되는 비트라인을 형성하는 단계: 후속 에칭 공정의 식각장벽용 제2질화막을 형성하는 단계; 및 열공정을 실시하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

Description

반도체소자 제조방법{method for fabricating semiconductor device}
본 발명은 메모리소자(memory device) 등의 반도체소자 제조방법에 관한 것으로, 특히 자기정렬 콘택홀(self-aligned contact hole) 형성 공정에서의 층간절연막 형성방법에 관한 것이다.
도1은 통상적인 디램(DRAM: Dynamic RAM)의 구조를 나타내는 단면도로서, 도면부호 1은 게이트전극(워드라인), 2는 질화막스페이서(워드라인용), 3은 질화막장벽층(워드라인용), 4는 폴리실리콘 콘택플러그, 5는 마스크 산화막(워드라인용), 6은 비트라인, 7은 질화막 장벽층(비트라인용), 8은 질화막 스페이서(비트라인용), 9 및 9'는 BPSG 층간절연막, 10은 캐패시터의 하부전극을 각각 나타낸다.
도1을 참조하여, 종래기술 및 그 문제점을 살펴보도록 한다.
반도체 메모리소자인 디램(DRAM: Dynamic RAM)의 제조공정은 일반적으로 반도체기판에 게이트(gate)전극(1) 및 소스/드레인(도시되지 않음)을 갖는 모스트랜지스터를 형성하고, 층간절연막(9)을 증착한 후, 마스크(mask) 및 식각(etch) 공정을 통해 상기 층간절연막(9)을 식각하여 상기 소스 또는 드레인이 노출되는 콘택홀을 형성하고, 이 콘택홀을 통하여 비트라인(bit line)(6) 또는 캐패시터 (capacitor)의 하부전극(10)이 소스 또는 드레인에 연결되도록 제조된다.
그러나 소자의 집적도(density)가 증가함에 따라 게이트전극(워드라인)(1) 사이의 폭(width)이 감소하고, 따라서 콘택홀의 마스크작업시 약간의 오정렬(mis alignment)이 발생하여도 게이트전극과 비트라인 또는 캐패시터 간의 단락(short)이 발생하게 되었다. 그래서 이러한 문제점을 극복하기 위하여 게이트전극을 형성하고, 게이트전극 위에 마스크절연막(5)을 형성한 후 식각장벽(etch barrier)인 질화막(3)을 증착하여, 이후 콘택형성을 위한 식각공정시 게이트전극 측벽에 질화막스페이서(spacer)(2)가 형성되면서 자기정렬적으로 콘택홀이 형성되도록 하였다.
한편, 주지의 사실인 바와 같이, 종래의 디램 제조공정 중 집적도가 증가함에 따라 캐패시터의 높이를 계속 증가시켜야 하는 단점이 있었고, 이를 해결하기 위하여 도1과 같은 캐패시터의 하부전극(10)을 인너형 실린더(inner cylinder) 구조로 제조하는 방법이 연구되고 있다. 그리고, 캐패시터의 하부전극(10)과 비트라인(6)의 단락을 방지하기 위하여 자기정렬적으로 캐패시터의 하부전극과 소스 또는 드레인을 연결하는 방법이 사용되고 있다. 이와 같이 자기정렬적인 캐패시터를 형성하기 위해서는 비트라인(6) 상부에 질화막(7)을 증착하여 인너형 실린더를 형성하기 위한 식각 공정시 비트라인(6) 측벽에 질화막스페이서(8)가 형성되도록 하여야 한다.
그러나, 도1에 도시된 바와 같이, 상기의 질화막(7)은 하부의 층간절연막(9)과 접촉하게 되고, 하부의 층간절연막(9)은 주로 유동성이 좋은 BPSG막을 사용하게 되는데 후속 공정에서 열적(thermal) 공정이 수반되는 경우, 하부의 BPSG 층간절연막과 상부의 질화막(7)의 열팽창(thermal expansion) 계수 차이로 인하여 상부의 질화막(7)이 깨어지는 현상이 발생한다. 이러한 질화막(7)의 깨어짐은 소자 작동의 신뢰성이나 수율(yield)을 감소시키는 원인이 된다.
한편, 이와 같은 경우 비트라인용 질화막 하부의 층간절연막을 BPSG 대신에, CVD 산화막으로 대치하면 BPSG보다 유동성이 적어서 후속 열처리공정에서도 상부의 질화막 깨어짐(crack)이 줄어들 수 있으나, 이 경우 좁은 폭을 가지는 게이트전극사이를 완전히 채워주지 못한다는 단점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 반도체소자 제조 공정중에서, 특히 자기정렬 콘랙홀 형성 공정에서 질화막과 층간절연막 간의 열팽창계수 차이로 인해 발생되는 질화막 깨어짐 현상을 방지할 수 있는 반도체소자 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도1은 종래기술에 의해 제조공정에 따른 단면도.
도2a 내지 도2c는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체소자 제조공정도.
* 도면의 주요 부호에 대한 설명 *
1: 워드라인 2:질화막 스페이서(워드라인용)
3: 질화막 장벽층(워드라인용) 4: 폴리실리콘 플러그
5: 마스크 산화막(워드라인용) 6: 비트라인
7: 질화막 장벽층(비트라인용) 8: 질화막 스페이서(비트라인용)
9,9': BPSG 10: 폴리실리콘
11: CVD 산화막 12: 잔류 BPSG
13: 자기정렬 콘택홀
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 의한 반도체소자 제조방법은, 반도체기판 상부에 다수의 게이트전극패턴을 형성하는 단계; 자기정렬콘택을위한 식각장벽용 제1질화막을 형성하는 단계; 상기 게이트전극패턴들 간의 공간을 채우면서 상기 게이트전극패턴을 덮는 층간절연막용 BPSG막을 증착 및 플로우시키는 단계; 상기 BPSG막을 상기 제1질화막이 드러날 때까지 화학적기계적연마(CMP)하여 평탄화하는 단계; 화학기상증착(CVD)으로 산화막을 증착하는 단계; 상기 산화막과 상기 질화막 및 상기 BPSG막을 통과하여 상기 반도체기판에 콘택되는 비트라인을 형성하는 단계: 후속 에칭 공정의 식각장벽용 제2질화막을 형성하는 단계; 및 열공정을 실시하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명의 기술적 특징은, 자기정렬 콘택 형성시 식각장벽으로 사용되는 질화막이 CMP측면에서 BPSG막에 비해 연마속도가 1/10 정도 느리다는 점을 이용하여 하부의 질화막이 드러날 때까지 CMP공정을 진행하여 BPSG막이 게이트전극 사이의골 부분에만 잔류하게 한 후, CVD 산화막을 추가로 증착하여 층간절연막을 구성하는 방법으로 된다. 그래서 후속 공정에서 질화막을 증착하고 열적 공정이 가해져도 질화막의 깨어짐을 근본적으로 방지할 수 있으며, 이에 대하여는 상세하게 후술될 것이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 도면에서 종래기술과 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 도면 부호를 인용하였다.
도2a 내지 도2c는 본 발명의 일실시예에 의한 반도체소자 제조방법 나타내는 공정도를 도시하고 있다.
먼저 도2a를 참조하면, 반도체기판에 마스크절연막(3)과 절연막스페이서(도시되지 않음)가 형성된 게이트전극(1)을 형성하고, 자기정렬 콘택의 식각장벽층을 증착한다. 이때 식각장벽층은 질화막(3)을 사용하며, 그 증착두께는 200-600Å이 되도록 한다. 여기서 상기 식각장벽층(3)은 질화막과 비도핑된(undoped) CVD산화막 (도시되지 않음)의 적층구조로 실시할 수도 있다. 그리고 이때의 CVD산화막의 두께는 100 내지 1000Å으로 실시함이 바람직하다.
그런 후에, 층간절연막으로서 BPSG막(9)을 증착하고 열처리하여 플로우 (flow)시킨다. 이때 열처리 온도는 700-850℃로 하고 증착두께는 1500 내지 7000Å이 되도록 증착한다. 이때의 열처리 온도는 게이트전극(1)사이의 골만 채울 수 있는 한 가장 낮은 온도에서 실시함이 바람직하다.
다음으로 도2b를 참조하면, 상기 BPSG막(9)을 화학기계연마(CMP)에 의해 연마한다. 이때 연마량은 하부의 식각장벽층인 질화막(3)이 드러날 때까지 진행하여 상기 BPSG막(9)이 게이트전극 사이에만 잔류(도면부호 12참조)하도록 한다. 이때 하부의 식각장벽층인 질화막(3)은 BPSG막(9)에 비하여 CMP 연마속도가 1/10 이하로 작으므로, 충분히 오버폴리싱(over polishing)하여도 하부 질화막(3)의 손실(loss)을 최소화할 수 있으며, 공정 마진이 매우 크다는 장점이 있어서 쉽게 공정에 적용할 수 있다는 장점이 있다. 그리고, 상기 화학적기계적연마 공정은 실리카(SiO2) 또는 세리아(CeO2)가 주요연마제로 구성된 슬러리를 사용하는 것이 바람직하며, 세리아(CeO2)가 주요연마제로 구성된 슬러리를 사용하는 경우 그 연마제의 구성비가 중량분율 2% 미만으로 구성되는 것이 바람직하다.
계속하여 상기 평탄화된 반도체기판 상부에 CVD산화막(11)을 증착한다. 이때 증착되는 CVD산화막(11)의 두께는 1000 내지 5000Å이 되도록 증착한다. 보통 CMP를 진행하지 않고 BPSG 증착 및 플로우만 진행하는 경우도 도펀트(dopant)가 확산되지 않도록 일정두께의 CVD산화막을 증착하므로 상기 공정은 기존 공정에 비하여 별도의 추가공정이 필요하지 않다는 장점이 있다.
계속하여 도2c를 참조하면, 상기 공정이 완료된 기판상에 하부의 소스/드레인 접합을 노출시키는 콘택홀(13)을 자기정렬적으로 형성하는 공정을 진행한다. 도면부호 2는 콘택홀 형성을 위한 식각공정시 생성된 질화막스페이서를 나타낸다.
이후, 도시되지는 않았지만, 상기 콘택홀에 도전층을 매립하여 콘택 플러그 (plug)을 형성하고, 이후 비트라인을 형성하고 순차적으로 상기 비트라인 상부에 후속 인너형 실린더 에칭시 식각장벽으로 작용될 질화막을 전면 증착한 후, 후속 캐패시터가 만들어질 BPSG막을 증착하고 약 700-850℃에서 BPSG 플로우를 위한 열처리가 실시된다. 이와 같은 열처리가 실시될 때, 비트라인용 질화막 하부는 단지 CVD 산화막과 접하게 되고 유동성이 큰 BPSG막과는 접하지 않기 때문에, 비트라인 질화막의 깨어짐을 방지할 수 있다.
그래서 본 발명에 의한 반도체소자 제조방법은, 종래의 자기정렬형 콘택 형성시 사용되는 식각장벽층을 CMP 공정에서의 연마정지층으로 이용하여 층간 절연막을 연마하고, 워드라인 사이에만 열팽창계수가 큰 BPSG막이 잔류하게 함으로서, 후속공정에서 증착되는 질화막의 깨어짐을 방지하여 반도체소자의 수율을 향상시키고 소자 신뢰성을 향상시켜 반도체소자의 고집적화를 가능하게 한다.
상술한 내용은 본 발명의 실시예에 관하여 설명이 이루어졌지만, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명은, 반도체소자의 제조공정에서 열처리에 의한 질화막의 깨어짐을 방지하여 반도체소자의 수율 및 생산성을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 반도체기판 상부에 다수의 게이트전극패턴을 형성하는 단계;
    자기정렬콘택을위한 식각장벽용 제1질화막을 형성하는 단계;
    상기 게이트전극패턴들 간의 공간을 채우면서 상기 게이트전극패턴을 덮는 층간절연막용 BPSG막을 증착 및 플로우시키는 단계;
    상기 BPSG막을 상기 제1질화막이 드러날 때까지 화학적기계적연마(CMP)하여 평탄화하는 단계;
    화학기상증착(CVD)으로 산화막을 증착하는 단계;
    상기 산화막과 상기 제1질화막 및 상기 BPSG막을 통과하여 상기 반도체기판에 콘택되는 비트라인을 형성하는 단계:
    후속 에칭 공정의 식각장벽용 제2질화막을 형성하는 단계; 및
    열공정을 실시하는 단계
    를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 반도체소자 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1질화막의 두께를 200 내지 1000Å으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 BPSG막을 1500 내지 7000Å으로 형성하고 700 내지 850℃에서 플로우하는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 산화막을 1000 내지 5000Å으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 화학적기계적연마 공정은 실리카(SiO2) 또는 세리아(CeO2)가 주요연마제로 구성된 슬러리를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 화학적기계적연마 공정에서, 세리아(CeO2)가 주요연마제로 구성된 슬러리를 사용하며, 그 연마제의 구성비가 중량분율 2% 미만으로 구성된 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조방법.
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