KR100333542B1 - Contact plug formation method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체소자의 콘택플러그 형성방법에 관한 것으로, 소정의 하부구조물이 형성되어 있는 반도체기판 상부에서 비트라인 콘택과 저장전극 콘택으로 예정되는 부분과 접속되는 비트라인 콘택플러그와 저장전극 콘택플러그를 형성하고, 상기 비트라인 콘택플러그와 저장전극 콘택플러그의 식각면에 반구형의 준안정 다결정실리콘(meta stable poly silicon grain, MPS)을 선택적으로 성장시킨 다음, 상기 비트라인 콘택플러그 및 저장전극 콘택플러그에 접속되는 비트라인과 저장전극을 형성시킴으로써 오버랩 마진(overlap margin)을 확보하여 후속 사진식각공정시 미스얼라인(misalign)이 발생하여 하부층이 손상되는 것을 방지하고, 그에 따른 반도체소자의 특성 및 신뢰성을 향상시키는 기술이다.The present invention relates to a method for forming a contact plug of a semiconductor device, comprising: a bit line contact plug and a storage electrode contact plug connected to a portion intended as a bit line contact and a storage electrode contact on an upper portion of a semiconductor substrate having a predetermined substructure; And selectively grow hemispherical metastable polysilicon grains (MPS) on the etched surfaces of the bit line contact plugs and the storage electrode contact plugs, and then form the bit line contact plugs and the storage electrode contact plugs. Overlap margin is secured by forming the connected bit line and the storage electrode to prevent misalignment during the subsequent photolithography process, thereby preventing the underlying layer from being damaged, thereby improving the characteristics and reliability of the semiconductor device. It is a technique to improve.
Description
본 발명은 반도체소자의 콘택플러그 형성방법에 관한 것으로서, 특히 비트라인 콘택플러그 및 저장전극 콘택플러그의 식각면에 반구형의 준안정 다결정실리콘층 선택적으로 형성하여 표면적을 증가시킴으로써 후속 사진공정에서 오버랩마진을 향상시키고 그에 따른 반도체소자의 특성 및 신뢰성을 향상시키는 기술에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a contact plug of a semiconductor device. In particular, a semispherical semi-stable polysilicon layer is selectively formed on an etch surface of a bit line contact plug and a storage electrode contact plug to increase surface area, thereby increasing overlap margin in a subsequent photographic process. The present invention relates to a technology for improving and thus improving the characteristics and reliability of semiconductor devices.
최근의 반도체장치의 고집적화 추세는 미세 패턴 형성 기술의 발전에 큰 영향을 받고 있으며, 반도체장치의 제조공정 중에서 식각 또는 이온주입 공정 등의 마스크로 매우 폭 넓게 사용되는 감광막 패턴의 미세화가 필수 요건이다.The recent trend of high integration of semiconductor devices has been greatly influenced by the development of fine pattern formation technology, and the miniaturization of photoresist patterns, which are widely used as masks such as etching or ion implantation processes, is essential in the manufacturing process of semiconductor devices.
상기 감광막 패턴의 분해능(R)은 축소노광장치의 광원의 파장(λ) 및 공정 변수(k)에 비례하고, 노광 장치의 렌즈 구경(numerical aperture : NA, 개구수)에 반비례한다.The resolution R of the photoresist pattern is proportional to the wavelength λ of the light source of the reduction exposure apparatus and the process variable k, and inversely proportional to the numerical aperture NA of the exposure apparatus.
[ R = k*λ/NA, R = 해상도, λ= 광원의 파장, NA = 개구수][R = k * λ / NA, R = resolution, λ = wavelength of light source, NA = numerical aperture]
여기서, 상기 축소노광장치의 광분해능을 향상시키기 위하여 광원의 파장을 감소시키게 되며, 예를 들어 파장이 436 및 365nm인 G-라인 및 i-라인 축소노광장치는 공정 분해능이 각각 약 0.7, 0.5㎛ 정도가 한계이고, 0.5㎛이하의 미세 패턴을 형성하기 위해 파장이 짧은 원자외선(deep ultra violet : DUV), 예를 들어 파장이 248㎚인 KrF 레이저나 193㎚인 ArF 레이저를 광원으로 사용하는 노광장치를 이용하거나, 공정상의 방법으로는 노광마스크(photo mask)를 위상 반전 마스크(phase shift mask)를 사용하는 방법과, 이미지 콘트라스트를 향상시킬 수 있는 별도의 박막을 웨이퍼 상에 형성하는 씨.이.엘.(contrast enhancement layer, 이하 CEL이라 함)방법이나 두 층의 감광막 사이에 SOG 등의 중간층을 개재시킨 삼층레지스트(tri layer resist, TLR) 방법 또는 감광막의 상측에 선택적으로 실리콘을 주입시키는 실리레이션 방법 등이 개발되어 분해능 한계치를 낮추고 있다.Here, the wavelength of the light source is reduced in order to improve the optical resolution of the reduced exposure apparatus. For example, the G-line and i-line reduced exposure apparatus having wavelengths of 436 and 365 nm have a process resolution of about 0.7 and 0.5 µm, respectively. Exposure using a short wavelength deep ultra violet (DUV), for example, a KrF laser having a wavelength of 248 nm or an ArF laser having a wavelength of 193 nm, as a light source to form a fine pattern of 0.5 μm or less As an apparatus or process method, a photo mask is used as a phase shift mask, and a separate thin film is formed on the wafer to improve image contrast. L. (contrast enhancement layer, CEL) method, tri-layer resist (TLR) method in which an intermediate layer such as SOG is interposed between two layers of photoresist, or selectively on top of the photoresist. Silicate methods for injecting cones have been developed to lower the resolution limit.
또한 상하의 도전배선을 연결하는 콘택홀은 소자가 고집적화되어 감에 따라자체의 크기와 주변배선과의 간격이 감소되고, 콘택홀의 지름과 깊이의 비인 에스펙트비(aspect ratio)가 증가한다. 따라서, 다층의 도전배선을 구비하는 고집적 반도체소자에서는 콘택을 형성하기 위하여 제조 공정에서의 마스크들간의 정확하고 엄격한 정렬이 요구되어 공정여유도가 감소된다.In addition, the contact hole connecting the upper and lower conductive wirings is reduced in size as the device is integrated, and the distance between the wiring and the peripheral wiring is reduced, and the aspect ratio, which is the ratio of the diameter and the depth of the contact hole, is increased. Therefore, in a highly integrated semiconductor device having multiple conductive wirings, accurate and tight alignment between masks in a manufacturing process is required to form a contact, thereby reducing process margin.
이러한 콘택홀은 간격유지를 위하여 마스크 정렬 시 오배열의 여유(misalignment tolerance), 노광공정시의 렌즈 왜곡(lens distortion), 마스크 제작 및 사진식각 공정시의 임계크기 변화(critical dimension variation), 마스크간의 정합(registration) 등과 같은 요인들을 고려하여 마스크를 형성한다.These contact holes provide misalignment tolerance when aligning the mask, lens distortion during the exposure process, critical dimension variation during the mask fabrication and photolithography process, and between masks to maintain the spacing. The mask is formed by considering factors such as registration.
종래기술에 따른 반도체소자의 콘택플러그 형성방법은, 비트라인 콘택플러그 및 저장전극 콘택플러그와 비트라인 및 저장전극용 마스크간에 오버랩 마진을 레이아웃상 0.15㎛ 이하로 설정하여 사용하고 있지만, 공정 진행 시 비트라인 또는 저장전극 콘택홀이 설계보다 크게 형성되거나, 상기 저장전극 콘택 플러그와 접속되는 저장전극을 패터닝할 때 미스얼라인이 발생하면 저장전극 패터닝공정 시 상기 저장전극 콘택플러그도 식각되어 비정상적인 소자가 형성되고 그로 인하여 랜덤 비트 패일(random bit fail)이 다량 발생하게 되며, 미스얼라인이 심할 경우에는 비트라인과 저장전극의 쇼트도 발생될 뿐만 아니라, 상기 저장전극을 반도체기판에 접속되도록 형성하는 경우에는 반도체기판이 손실되어 랜덤 패일 및 리프레쉬성 소프트 랜덤 패일(refresh soft random fail)을 유발시켜 패키지(package) 후 최종 수율(yield)이 감소하고, 상기 콘택플러그를 크게 형성하는 경우에는 콘택플러그 간의 브리지(bridge)를 초래하는 문제점이 있다.In the method of forming a contact plug of a semiconductor device according to the related art, an overlap margin is set to 0.15 μm or less on the layout between a bit line contact plug and a storage electrode contact plug and a bit line and a mask for a storage electrode. If a line or a storage electrode contact hole is formed larger than a design or a misalignment occurs when patterning a storage electrode connected to the storage electrode contact plug, the storage electrode contact plug is also etched during the storage electrode patterning process to form an abnormal element. As a result, a large amount of random bit fail occurs, and if a misalignment is severe, short circuits between the bit line and the storage electrode are generated, and the storage electrode is formed to be connected to the semiconductor substrate. Loss of semiconductor substrate results in random fail and refresh soft random fail In the case of causing a soft random fail, the final yield after the package is reduced, and when the contact plug is large, there is a problem of causing a bridge between the contact plugs.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 콘택플러그의 식각면에 반구형의 준안정 다결정실리콘층 선택적으로 형성하여 콘택플러그의 면적을 넓힘으로써 후속 공정 시 오버랩 마진을 향상시키고, 표면적을 증가시켜 정전용량을 증가시키며, 그에 따른 반도체소자의 특성 및 신뢰성을 향상시키는 반도체소자의 콘택플러그 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention, in order to solve the above problems of the prior art, by forming a semi-spherical semi-stable polysilicon layer selectively on the etching surface of the contact plug to increase the area of the contact plug to improve the overlap margin in the subsequent process, increase the surface area The purpose of the present invention is to provide a method for forming a contact plug of a semiconductor device which increases capacitance and thereby improves characteristics and reliability of the semiconductor device.
도 1 내지 도 4 는 본 발명에 따른 반도체소자의 콘택플러그 형성방법을 도시한 단면도.1 to 4 are cross-sectional views showing a method for forming a contact plug of a semiconductor device according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명><Description of Signs of Major Parts of Drawings>
11 : 반도체기판 15 : 소자분리절연막11 semiconductor substrate 15 device isolation insulating film
17 : 게이트 절연막 19 : 게이트 전극17 gate insulating film 19 gate electrode
21 : 마스크 절연막 23 : 절연막 스페이서21 mask insulating film 23 insulating film spacer
25a : 저장전극 콘택플러그 25b : 비트라인 콘택플러그25a: storage electrode contact plug 25b: bit line contact plug
27 : 반사방지막 29 : 반구형의 준안정 다결정실리콘층27 antireflection film 29 hemispherical metastable polysilicon layer
31 : 비트라인 33 : 저장전극31: bit line 33: storage electrode
이상의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 반도체소자의 콘택플러그 형성방법은,In order to achieve the above object, the method for forming a contact plug of a semiconductor device according to the present invention includes
마스크산화막과 절연막 스페이서가 중첩되어 있는 게이트전극 및 소오스/드레인전극이 구비된 모스전계효과 트랜지스터가 형성되어 있는 반도체기판 상부에 콘택플러그용 도전층을 형성하는 공정과,Forming a contact plug conductive layer on the semiconductor substrate, on which the MOS field effect transistor including a gate electrode and a source / drain electrode overlapping the mask oxide film and the insulating film spacer is formed;
상기 콘택플러그용 도전층 상부에 반사방지막을 형성하는 공정과,Forming an antireflection film on the contact plug conductive layer;
상기 반사방지막 상부에 비트라인 콘택 및 저장전극 콘택플러그로 예정되는 부분을 보호하는 감광막 패턴을 형성하는 공정과,Forming a photoresist pattern on the anti-reflection film to protect portions of the bit line contact and the storage electrode contact plug;
상기 감광막 패턴을 식각마스크로 사용하여 상기 반사방지막과 콘택플러그용 도전층을 식각하여 반사방지막패턴이 적층되는 비트라인 콘택플러그와 저장전극 콘택플러그를 형성하는 공정과,Forming a bit line contact plug and a storage electrode contact plug in which the antireflection film pattern is laminated by etching the antireflection film and the contact plug conductive layer by using the photoresist pattern as an etching mask;
상기 감광막 패턴을 제거하는 공정과,Removing the photoresist pattern;
상기 비트라인 콘택플러그와 저장전극 콘택플러그의 측벽에 반구형의 준안정다결정실리콘(meta stable polysilicon)층을 형성하는 공정과,Forming a hemispherical metastable polysilicon layer on sidewalls of the bit line contact plug and the storage electrode contact plug;
상기 비트라인 콘택플러그에 접속되는 비트라인을 형성하는 공정과,Forming a bit line connected to the bit line contact plug;
상기 저장전극 콘택플러그와 접속되는 저장전극을 형성하는 공정을 포함하는 것을 제1특징으로 한다.It is a 1st characteristic that the process includes forming the storage electrode connected with the said storage electrode contact plug.
또한, 이상의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 반도체소자의 콘택플러그 형성방법은,In addition, the contact plug forming method of the semiconductor device according to the present invention in order to achieve the above object,
마스크산화막과 절연막 스페이서가 중첩되어 있는 게이트전극 및 소오소/드레인전극이 구비된 모스전계효과 트랜지스터가 형성되어 있는 반도체기판 상부에 콘택플러그용 도전층을 형성하는 공정과,Forming a contact plug conductive layer over the semiconductor substrate, on which the MOS field effect transistor including a gate electrode and a source / drain electrode overlapping the mask oxide film and the insulating film spacer is formed;
상기 콘택플러그용 도전층 상부에 반사방지막을 형성하는 공정과,Forming an antireflection film on the contact plug conductive layer;
상기 반사방지막 상부에 비트라인 콘택 및 저장전극 콘택으로 예정되는 부분을 보호하는 감광막 패턴을 형성하는 공정과,Forming a photoresist pattern on the anti-reflection film to protect portions of the bit line contact and the storage electrode contact;
상기 감광막 패턴을 식각마스크로 사용하여 상기 반사방지막과 콘택플러그용 도전층을 식각하여 반사방지막패턴이 적층되는 비트라인 콘택플러그와 저장전극 콘택플러그를 형성하는 공정과,Forming a bit line contact plug and a storage electrode contact plug in which the antireflection film pattern is laminated by etching the antireflection film and the contact plug conductive layer by using the photoresist pattern as an etching mask;
상기 비트라인 콘택플러그 및 저장전극 콘택플러그의 측벽에 절연막 스페이서를 형성한 후, 전면식각공정으로 상기 반사방지막을 제거하는 공정과,Forming an insulating film spacer on sidewalls of the bit line contact plug and the storage electrode contact plug, and then removing the anti-reflection film by a front etching process;
상기 비트라인 콘택플러그 및 저장전극 콘택플러그의 상부에 준안정 다결정 실리콘층을 형성하는 것을 제2특징으로 한다.A second feature is to form a metastable polycrystalline silicon layer on top of the bit line contact plug and the storage electrode contact plug.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1 내지 도 4 는 본 발명에 따른 반도체소자의 콘택플러그 형성방법을 도시한 단면도이다.1 to 4 are cross-sectional views illustrating a method for forming a contact plug of a semiconductor device according to the present invention.
먼저, 반도체기판(11) 상에 소자분리 절연막(15)과 게이트산화막(17)을 형성하고, 게이트전극(19)과 소오스/드레인전극(도시안됨)으로 구성되는 모스 전계효과 트랜지스터를 형성한다. 이때, 상기 게이트전극(19)의 상부에는 마스크 절연막(21)이 적층되어 있고, 상기 게이트전극(19)의 측벽에는 절연막 스페이서(23)가 형성되어 있다. (도 1참조)First, an isolation layer 15 and a gate oxide layer 17 are formed on the semiconductor substrate 11, and a MOS field effect transistor including a gate electrode 19 and a source / drain electrode (not shown) is formed. In this case, a mask insulating film 21 is stacked on the gate electrode 19, and an insulating film spacer 23 is formed on the sidewall of the gate electrode 19. (See Fig. 1)
다음, 전체표면 상부에 절연막을 형성하고, 셀영역을 노출시키는 식각마스크를 이용한 식각공정으로 상기 반도체기판(11)의 셀영역에 절연막을 제거한다.Next, an insulating film is formed over the entire surface, and the insulating film is removed in the cell region of the semiconductor substrate 11 by an etching process using an etching mask exposing the cell region.
그 다음, 전체표면 상부에 다결정실리콘층을 1500 ∼ 2500Å 두께로 형성한 후, 아르곤(Ar)을 이용한 스퍼터방법으로 식각하여 단차를 완화시킨다.Thereafter, a polysilicon layer is formed to a thickness of 1500 to 2500 kPa over the entire surface, and then etched by a sputtering method using argon (Ar) to alleviate the step.
다음, 상기 다결정실리콘층 상부에 반사방지막(27)을 형성하고, 상기 반사방지막(27) 상부에 비트라인 콘택 및 저장전극 콘택으로 예정되는 부분을 보호하는 감광막 패턴(도시않됨)을 형성한다. 이때, 상기 반사방지막(27)은 산질화막을 사용하여 500 ∼ 1000Å 두께로 형성한다.Next, an anti-reflection film 27 is formed on the polysilicon layer, and a photoresist pattern (not shown) is formed on the anti-reflection film 27 to protect portions intended as bit line contacts and storage electrode contacts. At this time, the anti-reflection film 27 is formed to a thickness of 500 ~ 1000Å by using an oxynitride film.
그 다음, 상기 감광막 패턴을 식각마스크로 사용하여 상기 반사방지막(27) 및 다결정실리콘층을 식각함으로써 비트라인 콘택플러그(25a)와 저장전극 콘택플러그(25b)를 형성한다.Next, the anti-reflection film 27 and the polysilicon layer are etched using the photoresist pattern as an etching mask to form a bit line contact plug 25a and a storage electrode contact plug 25b.
그 후, 상기 감광막 패턴을 제거한다. 이때, 상기 식각공정은 인시튜(in-situ)방법으로 상기 감광막 패턴의 측벽에 폴리머(polymer)를 형성시키면서 실시하여 레티클 상의 콘택플러그보다 1.0 ∼ 1.4㎛ 더 크게 형성된다.Thereafter, the photosensitive film pattern is removed. In this case, the etching process is performed while forming a polymer on the sidewalls of the photoresist pattern by an in-situ method to form 1.0 to 1.4 μm larger than the contact plug on the reticle.
한편, 상기 비트라인 콘택플러그(25a)와 저장전극 콘택플러그(25b)는 전면식각공정으로 형성할 수 있다. (도 2참조)The bit line contact plug 25a and the storage electrode contact plug 25b may be formed by an entire surface etching process. (See Fig. 2)
다음, 상기 비트라인 콘택플러그(25a)와 저장전극 콘택플러그(25b)의 식각면에 선택적으로 반구형의 준안정 다결정실리콘층(29)을 성장시킨다. 상기 반구형의 준안정 다결정실리콘층(29)은 상기 반사방지막(27)이 형성되어 있는 부분에는 형성되지 않고, 다결정실리콘층으로 형성된 상기 비트라인 콘택플러그(25a) 및 저장전극 콘택플러그(25b)의 표면적을 증가시켜 후속으로 형성되는 비트라인 및 저장전극과의 오버랩 마진을 확보한다.Next, a hemispherical metastable polysilicon layer 29 is selectively grown on an etching surface of the bit line contact plug 25a and the storage electrode contact plug 25b. The hemispherical metastable polysilicon layer 29 is not formed in the portion where the anti-reflection film 27 is formed, and the bit line contact plug 25a and the storage electrode contact plug 25b formed of the polysilicon layer are formed. The surface area is increased to ensure overlap margin with the subsequently formed bit lines and storage electrodes.
한편, 상기 비트라인 콘택플러그(25a)와 저장전극 콘택플러그(25b)의 측벽에 절연막 스페이서(도시않됨)를 형성한 다음, 전면식각공정을 실시하여 상기 반사방지막(27)을 제거한 후, 상기 비트라인 콘택플러그(25a)와 저장전극 콘택플러그(25b)의 상부에 반구형의 준안정 다결정실리콘층을 형성할 수도 있다. 이때, 상기 절연막 스페이서는 산화막 또는 질화막 계열의 물질로 형성한다. (도 3참조)Meanwhile, an insulating film spacer (not shown) is formed on sidewalls of the bit line contact plug 25a and the storage electrode contact plug 25b, and then the entire surface etching process is performed to remove the antireflection film 27, and then the bit A hemispherical metastable polycrystalline silicon layer may be formed on the line contact plug 25a and the storage electrode contact plug 25b. In this case, the insulating film spacer is formed of an oxide film or a nitride film-based material. (See Fig. 3)
그 후, 후속공정을 실시하여 상기 비트라인 콘택플러그(25a)와 접속되는 비트라인(31)을 형성한 다음, 상기 저장전극 콘택플러그(25b)와 접속되는 실린더형 저장전극(33)을 형성한다. 이때, 도 4에 도시된 바와 같이 저장전극(33)의 표면에도 반구형의 준안정 다결정실리콘층을 형성할 수 있다. (도 4참조)Subsequently, a subsequent process is performed to form the bit line 31 connected to the bit line contact plug 25a, and then to the cylindrical storage electrode 33 connected to the storage electrode contact plug 25b. . In this case, as shown in FIG. 4, a hemispherical metastable polysilicon layer may be formed on the surface of the storage electrode 33. (See Fig. 4)
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 반도체소자의 콘택플러그 형성방법은, 소정의 하부구조물이 형성되어 있는 반도체기판 상부에서 비트라인 콘택과 저장전극 콘택으로 예정되는 부분과 접속되는 비트라인 콘택플러그와 저장전극 콘택플러그를 형성하고, 상기 비트라인 콘택플러그와 저장전극 콘택플러그의 식각면에 반구형의 준안정 다결정실리콘층을 선택적으로 성장시킨 다음, 상기 비트라인 콘택플러rm 및 저장전극 콘택플러그에 접속되는 비트라인과 저장전극을 형성시킴으로써 오버랩 마진(overlap margin)을 확보하여 후속 사진식각공정 시 미스얼라인(misalign)이 발생하여 하부층이 손상되는 것을 방지하고, 그에 따른 반도체소자의 특성 및 신뢰성을 향상시키는 이점이 있다.As described above, the method for forming a contact plug of a semiconductor device according to the present invention includes a bit line contact plug and a storage connected to a portion intended as a bit line contact and a storage electrode contact on a semiconductor substrate on which a predetermined substructure is formed. Forming an electrode contact plug, selectively growing a hemispherical metastable polysilicon layer on an etching surface of the bit line contact plug and the storage electrode contact plug, and then connecting the bit line contact plug and the storage electrode contact plug By forming a line and a storage electrode, an overlap margin is secured to prevent misalignment during the subsequent photolithography process, thereby preventing the underlying layer from being damaged, thereby improving the characteristics and reliability of the semiconductor device. There is this.
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