KR100373355B1 - 반도체소자의 평탄화방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소정의 배선층이 형성된 반도체기판 상부에 제1층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 제1층간절연막상에 연마정지층을 형성하는 단계, 상기 연마정지층상에 제2층간절연막을 형성하는 단계, 상기 제1 및 제2층간절연막에 비해 상기 연마정지층을 연마하는 속도가 매우 느린 특성을 갖는 슬러리를 사용하여 상기 연마정지층이 노출될때까지 CMP공정을 진행하여 상기 층간절연막을 평탄화하는 단계, 및 상기 연마정지층을 제거하는 단계를 포함하는 반도체소자의 평탄화방법을 제공함으로써 층간절연막이 그 하부의 패턴 밀도에 상관없이 완전 평탄화되도록 하여 단차을 최소화하여 후속 사진공정과 콘택식각 공정의 공정여유도를 증가시킨다.

Description

반도체소자의 평탄화방법{Planarization of semiconductor device}

본 발명은 고선택비 슬러리를 이용한 CMP(chemical mechanical polishing)에 의한 반도체소자의 평탄화방법에 관한 것으로, 특히 배선층간 절연막에 연마정지층을 도입하고 이 연마정지층과 층간절연막간의 연마선택비가 높은 슬러리를 사용하여 반도체소자의 층간절연막을 평탄화하여 단차를 제거하는 방법에 관한 것이다.

CMP기술은 반도체소자 제작과정중에 발생하는 단차를 제거하여 평탄화하기 위해 개발된 공정이다. CMP에 의한 평탄화는 연마 입자가 포함된 슬러리를 폴리우레탄등의 재질로 만들어진 패드위로 공급하면서 웨이퍼를 이 패드면에 마찰시키면 웨이퍼 표면에 증착된 산화막 또는 금속막의 돌출된 부분이 제거됨으로써 평탄화를 구현하는 것이다. 슬러리에 포함된 케미컬에 의한 화학반응은 표면의 요철에는 무관하게 등방성으로 작용하지만 패드가 닿는 돌출부위의 반응물이 먼저 제거되기 때문에 평탄화가 이루어지는 것이다. 그런데 탄성체인 패드는 웨이퍼 표면의 굴곡을 따라 일정 정도 변형되므로 연마 대상인 돌출부위뿐만 아니라 높이가 낮은 지역도 일부 연마함으로써 전체적인 평탄화 특성을 감소시킨다. 또한 패드가 직접 닿지 않는 부분이라 하더라도 미시적으로는 마이크로미터 이하의 아주 가까운 거리에 있으므로 패드의 움직임에 따라 슬러리 입자의 움직임이 발생하고, 이에 따라 소량이나마 연마가 발생하여 역시 평탄화 특성을 저해한다. 현재 DRAM이나 ASIC반도체의 제작에서 배선층간 절연막의 평탄화를 위해 CMP가 채용되는 빈도가 급격히 늘어나고 있는 실정이나 완전 평탄화를 위해서는 해결해야할 문제점이 많다.

CMP에 의한 평탄화 정도를 향상시키기 위해서는 증착량과 연마량을 동시에 늘리면 된다. 하지만 이 방법은 증착시, 연마시의 불균일도가 증가하기 때문에 웨이퍼내의 연마후 균일도를 저하시키는 약점이 있다. 또 성질이 딱딱한 연마패드를 사용하면 단차를 더욱 효과적으로 제거해낼 수 있지만, 연마후의 균일도가 나빠지는 단점이 있다. 이러한 단점들외에도 배선층간 절연막의 평탄화는 기본적으로 연마되는 도중에 연마를 멈추어야 하므로 연마공정이 끝나는 시점을 정확히 제어할 수 없다는 근본적인 문제를 안고 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 연마정지층을 배선층간 절연막의 중간에 삽입하고 이 연마정지층과 층간절연막에 대해 연마선택비가 높은 슬러리를 사용하여 층간절연막을 연마함으로써 층간절연막의 평탄화가 중간에 삽입된 상기 연마정지층에서 정지하면서 전체적인 평탄화가 이루어지도록 한 반도체소자의 평탄화방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체소자의 평탄화방법은 소정의 배선층이 형성된 반도체기판 상부에 제1층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 제1층간절연막상에 연마정지층을 형성하는 단계, 상기 연마정지층상에 제2층간절연막을 형성하는 단계, 상기 제1 및 제2층간절연막에 비해 상기 연마정지층을 연마하는 속도가 매우 느린 특성을 갖는 슬러리를 사용하여 상기 연마정지층이 노출될때까지 CMP공정을 진행하여 상기 층간절연막을 평탄화하는 단계, 및 상기 연마정지층을 제거하는 단계를 포함하여 구성된다.또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 소정의 배선층이 형성된 반도체기판 상부에 제1 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 제1 층간절연막 상에 연마정지층으로서 역할하는 폴리실리콘층을 형성하는 단계; 상기 폴리실리콘층 상에 제2 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 제1 층간절연막 및 제2 층간절연막에 비해 상기 폴리실리콘층을 연마하는 속도가 상대적으로 느린 특성을 갖는 슬러리를 사용하여 상기 폴리실리콘층이 노출될 때까지 CMP공정을 진행하여 평탄화하는 단계; 및 상기 폴리실리콘층을 산화시켜 절연막을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 평탄화 방법을 제공한다.또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반도체 기판 상의 콘택영역 주변에 콘택 가이드를 형성하는 제1 단계; 상기 제1 단계가 완료된 상기 반도체 기판 상부에 제1 층간절연막을 형성하는 제2 단계; 상기 제1 층간절연막상에 연마정지층을 형성하는 제3 단계; 상기 연마정지층 상에 제2 층간절연막을 형성하는 제4 단계; 상기 제1 층간절연막 및 상기 제2 층간절연막에 비해 상기 연마정지층을 연마하는 속도가 상대적으로 느린 특성을 갖는 슬러리를 사용하여 상기 연마정지층이 노출될 때까지 CMP공정을 진행하여 평탄화하는 제5 단계; 및 상기 연마정지층을 제거하는 제6 단계를 포함하는 반도체 소자 제조 방법을 제공한다.

도 1a 내지 1e는 본 발명의 일실시예에 의한 반도체소자의 평탄화방법을 도시한 공정순서도,

도 2a 및 2b는 본 발명에 의한 반도체소자 평탄화방법에 사용되는 콘택 가이드의 평면도,

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 반도체소자의 평탄화방법을 설명하기 위한 도면.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1.배선 2.제1층간절연막

3.연마정지층 4.제2층간절연막

5.콘택영역 6.콘택 가이드

10.반도체기판

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1a 내지 1e에 본 발명의 일실시예에 의한 반도체소자의 평탄화방법을 공정순서에 따라 도시하였다.

먼저, 도 1a에 나타낸 바와 같이 반도체기판(10)상에 반도체 제조에 필요한 소정의 배선층(1)(예를 들면, DRAM의 워드라인이나 비트라인)을 형성하고 그 전면에 배선층간 절연막으로서 제1절연산화막(2)을 형성한다. 이때, 제1층간절연산화막(2)의 두께는 배선간 절연이 이루어질 수 있도록 실험적으로 결정된 양만큼으로 한다. 일반적으로, 층간절연막은 매우 두껍게 증착한 다음 연마하여 두께를 결정된 값에 맞추는 방법을 사용하지만 본 발명의 경우에는 배선 상부에 꼭 필요한 양만큼만 증착한다. 상기 제1층간절연막(2)은 화학기상증착이나 물리적 기상증착법, 스핀코팅(spin coating)등의 방법을 이용하여 BPSG, PSG, 도핑되지 않은 산화막등을 증착하여 형성하며, 그 두께는 500-10000Å정도로 하는 것이 바람직하다.

이어서 도 1b에 나타낸 바와 같이 상기 제1층간절연산화막(2) 상부에 연마정지층으로서 실리콘질화막(3)을 소정두께, 예컨대 50-5000Å로 증착한 후, 도 1c에 나타낸 바와 같이 상기 실리콘질화막(3) 상부에 다시 제2층간절연산화막(4)을 일정두께로 형성한다. 제2층간절연막(4)은 화학기상증착이나 물리적 기상증착법, 스핀코팅등의 방법을 이용하여 BPSG, PSG, 도핑되지 않은 산화막등을 증착하여 형성하며, 더욱 효과적인 연마 정지를 위하여 상기 제1층간절연막보다 연마속도가 높거나 동일한 산화막을 증착하여 형성하는 것이 바람직하다.

이 상태에서 산화막에 비해 실리콘질화막을 매우 느리게 연마하는 CeO₂계 고선택비 슬러리를 사용하여 상기 제2층간절연산화막(4)을 연마하는바, 산화막:질화막의 선택비가 30:1 이상인 슬러리를 사용하여 연마한다. 이때, 중간층인 질화막(3)이 드러날 때까지 연마함으로써 질화막에서 연마가 더 이상 진행되지 않고 시간이 경과되는, 이른바 연마정지가 일어나도록 한다. 단, 배선간 연결부인 콘택영역(5)의 제1층간절연산화막(2)과 제2층간절연산화막(4) 사이에 실리콘질화막(3)이 남아 있으면 이후 콘택식각이 어려워지므로 도 1d에 나타낸 바와 같이 소자의 배선층(1) 형성 단계에서 콘택영역(5)의 주변에 콘택 가이드(contact guide)(6)를 형성하여 콘택 주변을 돋우어 주어 상기와 같은 현상을 방지한다. 즉, 층간절연막이 콘택 주변을 둘러싸면서 솟아오르게 하기 위해서 증착되는 막의 두께보다 콘택영역(5)과 콘택 가이드(6) 사이의 거리가 더 가까와지도록 설계하여 증착막이 컨포멀 증착(conformal deposition)되면서 빈틈이 메워지는 성질을 이용한다. 차세대 콘택 기술인 자기정합 콘택을 사용하는 경우에는 콘택 가이드의 측벽을 이용하여 콘택 식각이 일어나게 할 수 있다. 상기 콘택 가이드(6)의 모양은 도 2a 및 2b에 도시한 바와 같이 안쪽 폭이 콘택 크기보다는 크고 증착막 두께의 2배보다는 작은 사각 액자 모양(도 2a)이나 평행선 모양(도 2b)으로 하는 것이 바람직하다.

이어서 도 1e에 나타낸 바와 같이 연마정지가 일어난 질화막을 인산을 이용한 습식식각 방법 또는 건식식각으로 제거한다. 직전 단계에서 콘택이 뚫릴 부위는 콘택 가이드를 사용하여 돋우어 주었기 때문에 이후에 콘택이 뚫려야 하는 부분은 모두 산화막이 드러나 있게 된다. 이렇게 하면 콘택 식각시 중간의 질화막을 피해산화막만을 식각하면 되므로 식각 공정을 용이하게 진행할 수 있다.

이어서 콘택 또는 플러그 형성공정등 후속 공정을 진행하여 구조물을 완성한다. 다른 층에서도 동일한 방식으로 층간절연막을 평탄화한다.

본 발명의 다른 실시예로서, 상기 도 1e의 공정 진행후 층간산화막 사이에 질화막(3)의 끝부분이 드러난 부분이 후속 공정에서 단차를 형성하고 배선을 단락을 일으키는 것을 방지하기 위하여 얇은 절연막(7)을 도 3에 나타낸 바와 같이 추가로 증착하여 단차를 완화시킬 수도 있다.

한편, 상기 실시예에서는 콘택 식각공정에서 산화막 사이에 질화막이 있을 경우 식각에 어려움이 있을 것으로 상정하고 콘택 가이드등을 설치하였으나, 콘택 식각공정시 산화막 사이에 있는 질화막을 한꺼번에 식각할 수 있으면 콘택 가이드를 사용하지 않을 수도 있다.

본 발명의 다른 실시예로서, 상기 연마정지층으로 도핑되지 않은 폴리실리콘을 사용하는 것도 가능하다. 이 경우 연마정지층으로 사용된 도핑되지 않은 폴리실리콘을 제1 층간절연막 상에 증착한 후, 제2 층간절연막을 상기 폴리실리콘층 상에 증착하고 CMP공정을 실시한다. 이때 사용되는 슬러리는 상기 제1 층간절연막 및 제2 층간절연막에 비해 상기 폴리실리콘층을 연마하는 속도가 상대적으로 느린 특성을 갖는 슬러리를 사용하며, 상기 폴리실리콘층이 노출될 때까지 CMP공정을 진행하여 평탄화한다. 이러한 슬러리로는 CeO₂계 고선택비 슬러리가 사용될 수 있다. 이와 같이 CMP공정을 수행한 후에 연마정지가 일어난 폴리실리콘층을 제거하여 후속 콘택식각공정을 용이하게 한다. 폴리실리콘층과 산화막사이의 선택비가 높은 건식 또는 습식식각법을 이용하면 폴리실리콘층만을 선택적으로 제거할 수 있다. 또한 연마정지층으로 도핑되지 않은 폴리실리콘을 사용하는 경우, 폴리실리콘을 연마정지층으로 제1층간절연막 상부에 증착한 후, 그위에 제2층간절연막을 형성하지 않고 폴리실리콘층을 바로 연마정지층으로 사용하여 연마를 실시할 수도 있다. 상기 실시예에서는 컨포멀 증착의 특징인 일반적인 CVD산화막을 층간절연막으로 이용하였으나, 증착과 식각이 반복적으로 일어나는 고밀도 플라즈마 증착(HDP-CVD)에 의해 형성되는 산화막을 층간절연막으로 사용할 수도 있으며, 이 경우는 산화막이 컨포멀 증착 특성을 보이지 않으므로 폴리실리콘층 상부에 제2층간절연막없이 폴리실리콘층을 바로 연마정지층으로 사용하는 실시예에서 더 유리하다. 콘택 가이드를 충분히 작은 폭으로 만들 경우 콘택 가이드 상부에서 HDP 증착량이 증가하지 않으므로 일반 실시예와 동일한 설계를 적용할 수 있다.

연마정지층으로 폴리실리콘을 이용하는 경우, 층간절연막 사이에서 폴리실리콘 끝의 드러난 부분이 후속공정에서 단차를 형성하고 배선간 단락을 일으키는 것을 방지하기 위하여 층간절연막 연마후 드러난 폴리실리콘을 산화시켜 절연막으로 만드는 것도 가능하다.

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, 층간절연막이 그 하부의 패턴 밀도에 상관없이 완전 평탄화되기 때문에 단차가 최소화되어 사진공정의 공정여유도가 증가한다. 사진공정이 안정화되면 CD변화가 최소화되고, 브릿지, 패턴 파괴등이 감소하므로 수율이 향상된다. 또한, 한개의 칩내에서 절연막의 두께 불균일성이 최소화되므로 후속 콘택식각 공정의 공정여유도가 증가한다. 콘택식각공정이 안정화되면 콘택오픈, 과도식각등의 문제가 해결되어 소자 특성을 균일화할 수 있다. 또한, 일반적으로 배선층간 절연막의 경우 연마가 종료되는 시점을 알기 어려워 연마시간으로 공정을 제어하고 있는데, 본 발명에서는 연마정지층을 사용하므로 연마 종료 시점을 알아내기가 용이하고, 따라서 웨이퍼간, 롯트(lot)간에 공정균일도를 증가시킬 수 있다. 이렇게 되면 CMP공정에서 발생하는 공정 불균일성이 최소화되어 생산성을 향상시킬 수 있다.

Claims (23)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 소정의 배선층이 형성된 반도체기판 상부에 제1 층간절연막을 형성하는 단계;

   상기 제1 층간절연막 상에 연마정지층으로서 역할하는 폴리실리콘층을 형성하는 단계;

   상기 폴리실리콘층 상에 제2 층간절연막을 형성하는 단계;

   상기 제1 층간절연막 및 제2 층간절연막에 비해 상기 폴리실리콘층을 연마하는 속도가 상대적으로 느린 특성을 갖는 슬러리를 사용하여 상기 폴리실리콘층이 노출될 때까지 CMP공정을 진행하여 평탄화하는 단계; 및

   상기 폴리실리콘층을 산화시켜 절연막을 형성하는 단계

   를 포함하는 반도체 소자의 평탄화 방법.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제 4 항에 있어서,

   상기 제2 층간절연막 및 상기 제1층간절연막 각각을 산화막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 평탄화방법.
9. 삭제
10. 제 4 항 또는 제 8 항에 있어서,

    상기 슬러리로 CeO₂계 슬러리를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 평탄화방법.
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 반도체 기판 상의 콘택영역 주변에 콘택 가이드를 형성하는 제1 단계;

    상기 제1 단계가 완료된 상기 반도체 기판 상부에 제1 층간절연막을 형성하는 제2 단계;

    상기 제1 층간절연막상에 연마정지층을 형성하는 제3 단계;

    상기 연마정지층 상에 제2 층간절연막을 형성하는 제4 단계;

    상기 제1 층간절연막 및 상기 제2 층간절연막에 비해 상기 연마정지층을 연마하는 속도가 상대적으로 느린 특성을 갖는 슬러리를 사용하여 상기 연마정지층이 노출될 때까지 CMP공정을 진행하여 평탄화하는 제5 단계; 및

    상기 연마정지층을 제거하는 제6 단계

    를 포함하는 반도체 소자 제조 방법.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 제6 단계 후,

    상기 콘택 영역 상의 상기 제1 층간절연막을 선택적으로 식각하여 배선간 연결을 위한 콘택을 형성하는 제7 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조 방법.
16. 제 14 항에 있어서,

    상기 제1 단계에서,

    상기 콘택 가이드는 배선층과 동시에 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조 방법.
17. 삭제
18. 삭제
19. 제 14 항에 있어서,

    상기 콘택 가이드는 상기 콘택 주변을 둘러싸는 사각 액자 모양 또는 평행선 모양으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조 방법.
20. 제 14 항에 있어서,

    상기 콘택 가이드는 그 안쪽 폭이 상기 콘택 크기보다는 크고 상기 제1 층간절연막 두께의 2배 보다는 작게 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조 방법.
21. 삭제
22. 삭제
23. 삭제