KR100444721B1 - 금속배선 전 절연막의 평탄화 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속배선 전 절연막(PMD;Pre-Metal Dielectic)의 평탄화를 위한 CMP 공정의 종말점(End Point)을 모타전류 방식의 종말점 검출기(EPD; End Point Detector)를 이용하여 자동적으로 결정하는 금속 배선 전 절연막의 평탄화 방법을 개시한 것으로, 본 발명은 반도체 소자 영역에 모스 소자가 형성된 실리콘 웨이퍼 상부에 USG 산화막 또는 실리콘 질화막을 증착하는 단계와; 상기 USG 산화막 또는 실리콘 질화막상에 BPSG막을 증착하는 단계와; BPSG막을 열처리하여 막질을 치밀화하는 단계와; BPSG 막의 상부에 PE-USG 산화막을 증착하는 단계와; PE-USG 산화막을 CMP 평탄화 하는 단계와; PE-USG 산화막의 CMP 공정의 종말점(End Point)을 모타전류 방식의 종말점 검출기(EPD)를 이용하여 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, BPSG막을 종래에 비해 얇게 증착한 다음 그 상부에 PE-USG 산화막을 종래에 비해 두껍게 증착하고 이 PE-USG막을 CMP 평탄화할 때, 모타전류 방식의 종말점 검출기(EPD)를 이용하여 CMP 공정의 종말점(End Point)을 자동적으로 결정함으로써 반도체 소자의 수율 및 생산성을 높일 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 소자를 제조하는 공정에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속배선 전 절연막(PMD ; Pre-Metal Dielectric layer)의 평탄화를 위한 CMP 공정의 종말점(End Point)을 모타전류 방식의 종말점 검출기(EPD; End Point Detector)를 이용하여 자동적으로 결정함으로써 반도체 소자의 수율 및 생산성을 높일 수 있는금속 배선 전 절연막의 평탄화 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자를 제조하는 공정에서 MOS 소자가 형성된 실리콘 웨이퍼와 금속 배선층 사이를 전기적으로 절연하기 위한 금속 배선 전 절연막(PMD)은 산화막을 증착하여 형성하게 되는데, 산화막의 증착시 나트륨 이온 게터링(Gathering) 등의 목적으로 붕소(B)나 인(P)을 함유하는 반응물을 첨가하여 BPSG막을 증착하고 있다.
도 1은 종래기술에 따른 반도체 소자의 PMD 층의 구조를 나타내는 개략도이다.
도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(1) 상에 n MOS 또는 p MOS 트랜지스터를 형성한 후 BPSG막(3)에 함유된 붕소와 인이 트랜지스터 정션(Junction)으로 침투하는 것을 방지하기 위해 USG(Undoped Silicate Glass) 산화막 또는 실리콘 질화막(2)을 약 300Å 내지 1000Å의 얇은 두께로 증착한다. 다음에 실리콘 웨이퍼(1) 전면에 상압 CVD 또는 감압 CVD 방식에 의해 BPSG막(3)을 약 8000Å 내지 14000Å의 충분한 두께로 증착한다.
그리고, BPSG막(3)을 치밀화(Densify) 및 리플로(Reflow)하기 위해 질소가스 분위기 하의 로(Furnace)에서 고온의 열처리(Annealing)를 실시한 후, 실리카 또는 세리아(Cerium Oxide) 슬러리를 이용한 CMP 공정에 의해 BPSG막(3)을 연마, 제거하여 소정의 평탄화된 BPSG막(3)을 남긴다.
그 다음에 상부 금속 배선층으로의 붕소와 인의 확산을 방지하기 위한 보호층(Capping Layer)으로서 평탄화된 BPSG막(3) 위에 다시 TEOS(tetraethylorthosilicate, Si(OCH2CH3)4) 계(Base) 또는 SiH4계(Base)의 PE-USG(Plasma Enhanced Undoped Silicate Glass) 산화막(4)을 1000Å 내지 3000Å 정도 증착하여 최종적으로 PMD 층(5)을 완성한다. 미설명 부호 S는 소스, D는 드레인 G는 게이트 전극을 나타낸다.
이와 같은 종래의 PMD 형성 방법에서는 BPSG막(3) CMP 공정에서 연마시간에 의해 CMP 후의 BPSG 잔막 두께를 조절하는데, BPSG막(3)이 다른 산화막에 비해 연하고 식각 정도(Etch Rate)가 크고, 붕소와 인의 농도에 따라 막 성질이 매우 민감하게 변하므로 BPSG 잔막 두께를 안정적으로 제어하기가 매우 어렵다. 따라서, 통상 선행 웨이퍼를 일정 연마시간 동안 CMP 하고 그 후의 잔막을 측정하여 이 잔막 두께가 설정된 공정 사양내에 들어가면, 그것을 연마시간으로 정하고, 이처럼 정해진 연마시간을 적용하여 후속 웨이퍼의 CMP를 진행하게 된다. 그러나 이 경우에도 통상 BPSG 증착 장비의 챔버 간 증착막의 미세한 물성 차이에 의해 동일한 연마시간에서도 잔막 두께의 편차가 크므로 공정 사양 범위를 벗어나는 웨이퍼가 자주 나온다. 또한, 로트(Rot) 간의 편차에 의해서 연마시간이 크게 차이가 나므로 매 로트마다 선행 웨이퍼를 흘려 연마시간을 결정하는데 공정시간이 많이 소모되고 재가동율도 높으므로 생산성이 나쁘고 후속 사진(Lithography) 및 식각(Etching) 공정에서 마진을 확보하기 어려운 문제점이 있었다.
또한, 종래의 세리아 슬러리를 이용한 CMP 공정 실험에서 층간 절연막으로 사용되는 PE-USG 산화막(4)의 CMP 에서는 종래 텅스텐(W) CMP 공정에 널리 사용되고 있는 모타전류 방식의 EPD(End Point Detector)를 이용하여 연마시간의 종말점을 자동적으로 결정할 수 있었으나, BPSG막(3)의 경우는 연마 중의 모타전류 시그널과 CMP 후 잔막 두께와의 의미있는 상관관계가 나오지 않아서 모타전류 방식의 EPD로 CMP 종말점을 결정할 수 없었다.
전술한 모타전류 방식의 EPD는 반도체 공정 분야에 종사하는 기술자들에게는 잘 알려져 있는 CMP 종말점 검출기기로 종래에는 주로 텅스텐과 같은 금속 CMP 공정에 주로 이용되어 왔다.
그러나, 본 발명자들이 조사한 바로는 모타전류 방식의 EPD를 층간 절연막 CMP에 적용한 경우는 문헌에서 찾을 수 없었으며, 도 2에 나타낸 전류변화 추이에 대한 믿을 만한 해석도 아직 발견되지 못하여 전류변화 추이를 다음과 같이 정성적으로 해석하고 있다.
즉, 도 2a의 그래프에서 나타나 있듯이, CMP 공정 진행시 연마시간이 지남에 따라 초기의 심한 패턴 단차가 점점 줄어들어 평탄화되므로 연마웨이퍼와 접촉하는 연마정반의 면적이 증가하고 이에 의해 연마웨이퍼와 연마정반의 마찰력이 점점 증가하여 구동모타의 전류가 증가하며, 평탄화가 거의 완료되면 마찰력은 더 이상 크게 증가하지 않고 포화된다.
또한, 도 2b의 그래프는 상기 전류의 시간에 따른 변화속도를 나타내는데, 초기에는 부분(Local)적인 평탄화가 진행되므로 전류의 증가속도가 크지만 부분적인 평탄화가 어느 정도 완료되면 전반(Global)적인 평탄화가 진행되므로 증가속도가 느려지는 것으로 추정된다.
앞에서 언급한 바와 같이 BPSG막(3) CMP의 경우는 CMP 종말점을 모타전류 방식의 EPD로 결정하기 어려운데 그 이유는 본 발명자들도 아직 명확히 규명하지 못하고 있으며, 다만 BPSG막(3)이 PE-USG 산화막(4)에 비해 막질이 훨씬 연하므로 웨이퍼와 패드 사이의 마찰력 변화가 크지 않아 다른 변수들에 의해 상기 전류변화가 영향을 많이 받기 때문으로 추정하고 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 종래의 PMD 형성 방법의 문제점을 해소하기 위한 것으로, BPSG막을 종래에 비해 얇게 증착한 다음 그 상부에 PE-USG 산화막을 종래에 비해 두껍게 증착하고 이 PE-USG막을 CMP 평탄화할 때 모타전류 방식의 종말점 검출기(EPD)를 이용하여 CMP 평탄화를 하여 CMP 공정의 종말점(End Point)을 자동적으로 결정함으로써 반도체 소자의 수율 및 생산성을 높일 수 있는 금속 배선 전 절연막(PMD)의 평탄화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 반도체 소자 영역에 모스 소자가 형성된 실리콘 웨이퍼 상부에 USG 산화막 또는 실리콘 질화막을 증착하는 단계와; 상기 USG 산화막 또는 실리콘 질화막상에 BPSG막을 증착하는 단계와; 상기 BPSG막을 열처리하여 막질을 치밀화하는 단계와; 상기 BPSG 막의 상부에 PE-USG 산화막을 증착하는 단계와; 상기 PE-USG 산화막을 CMP 평탄화 하는 단계와; 상기 PE-USG 산화막의 CMP 공정의 종말점(End Point)을 모타전류 방식의 종말점 검출기(EPD)를 이용하여 결정하는 단계를 포함하는 금속 배선 전 절연막(PMD)의 평탄화 방법을 제공한다.
본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에의해 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
도 1은 종래의 PMD를 형성하는 공정을 도시한 공정 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 PE-USG 산화막 CMP 공정 진행 시의 연마 정반(Platern) 구동모터의 전류값의 변화 추이를 나타낸는 전형적인 그래프,
도 3은 본 발명에 따른 반도체 소자의 PMD 층의 구조를 나타내는 개략도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11 : 실리콘 웨이퍼 12 : 실리콘 질화막
13 : BPSG막 14 : PE-USG 산화막
15 : PMD 층
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 반도체 소자의 PMD 층의 구조를 나타내는 개략도이다.
먼저, 실리콘 웨이퍼(11) 상에 n MOS 또는 p MOS 트랜지스터를 형성한 후 BPSG막(13)에 함유된 붕소와 인이 트랜지스터 정션(Junction)으로 침투하는 것을 방지하기 위해 USG(Undoped Silicate Glass) 산화막 또는 실리콘 질화막(12)을 약 300Å 내지 1000Å의 얇은 두께로 증착한 후 폴리 프로파일(Poly Profile)이 드러나지 않는 범위 내로 실리콘 웨이퍼(11) 전면에 상압 CVD 또는 감압 CVD 방식에 의해 BPSG막(13)을 종래에 비해 얇은 약 1000Å 내지 4000Å의 두께로 증착한다.
그리고, BPSG막(13)을 치밀화(Densify) 및 리플로(Reflow)하기 위해 질소가스 분위기 하의 로(Furnace)에서 고온의 열처리(Annealing)를 실시한 후, 그 상부에 TEOS(tetraethylorthosilicate, Si(OCH2CH3)4) 계(Base) 또는 SiH4계의 PE-USG 산화막(14)을 후속 CMP 공정에서 평탄화가 달성될 수 있도록 6000Å 내지 10000Å 정도로 종래에 비해 충분한 두께로 증착한다.
그 다음에, 실리카 또는 세리아(Cerium Oxide) 슬러리를 이용한 CMP 공정에 의해 PE-USG산화막(14)을 연마, 제거하여 평탄화하는데 이 과정에서 평탄화가 충분히 달성된 소정 두께의 잔막이 남는 시점, 즉 CMP의 종말점(End Point)을 모타전류 방식의 EPD를 이용하여 자동적으로 결정함으로써 최종적으로 PMD층(15)의 평탄화를 완성한다. 미설명 부호 S는 소스, D는 드레인 G는 게이트 전극을 나타낸다.
앞서 설명한 바와 같이, 모타전류 방식의 EPD는 반도체 공정 분야에 종사하는 기술자들에게는 잘 알려져 있는 CMP 종말점 검출기기로서, BPSG막(13) CMP의 경우는 CMP 종말점을 모타전류 방식의 EPD로 결정하기 어려운데 반해 본 발명에 따른 PE-USG 산화막(14) CMP의 경우는 BPSG막(13)에 비해 막질이 훨씬 튼튼하므로 웨이퍼와 패드 사이의 마찰력 변화에 따른 일정한 전류 변화 추이를 나타낼 수 있어 CMP 종말점을 모타전류 방식의 EPD로 결정할 수 있다.
즉, 본 발명에 따라 PE-USG 산화막(14)을 CMP 공정으로 평탄화할 때 모타전류 방식의 EPD는 도 2의 그래프와 동일한 전류 변화 추이를 나타낸다. 따라서, CMP 공정 진행시 연마시간이 지남에 따라 초기의 심한 패턴 단차가 점점 줄어들어 평탄화되므로 PE-USG 산화막(14)과 접촉하는 연마 정반의 면적이 증가하고 이에 의해 PE-USG 산화막(14)과 연마 정반의 마찰력이 점점 증가하여 구 모타의 전류가 증가하며, 평탄화가 거의 완료되면 마찰력은 더 이상 크게 증가하지 않고 포화된다.
또한, 초기에는 부분(Local)적인 평탄화가 진행되므로 전류의 증가속도가 크지만 부분적인 평탄화가 어느 정도 완료되면 전반(Global)적인 평탄화가 진행되므로 증가속도가 느려진다.
이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.
따라서, 본 발명에 따르면, BPSG막을 종래에 비해 얇게 증착한 다음 그 상부에 PE-USG 산화막을 종래에 비해 두껍게 증착하고 이 PE-USG막을 CMP 평탄화할 때 모타전류 방식의 종말점 검출기(EPD)를 이용하여 CMP 공정의 종말점(End Point)을 자동적으로 결정함으로써 반도체 소자의 수율 및 생산성을 높일 수 있다.
Claims (5)
- 반도체 소자 영역에 모스 소자가 형성된 실리콘 웨이퍼 상부에 USG 산화막 또는 실리콘 질화막을 증착하는 단계와;상기 USG 산화막 또는 실리콘 질화막상에 상기 BPSG 막을 증착하는 단계와;상기 BPSG막을 열처리하여 막질을 치밀화하는 단계와;상기 BPSG 막의 상부에 PE-USG 산화막을 증착하는 단계와;상기 PE-USG 산화막을 CMP 평탄화 하는 단계와;상기 PE-USG 산화막의 CMP 공정의 종말점(End Point)을 모타전류 방식의 종말점 검출기(EPD)를 이용하여 결정하는 단계를 포함하는 금속 배선 전 절연막(PMD)의 평탄화 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 PE-USG 산화막은 TEOS 계 산화막 또는 SiH4계 산화막인 것을 특징으로 하는 금속 배선 전 절연막(PMD)의 평탄화 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 PE-USG 산화막은 6000Å 내지 10000Å의 두께로 증착하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 전 절연막(PMD)의 평탄화 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 PE-USG 산화막의 CMP 공정에 세리아 함유 슬러리를 사용하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 전 절연막(PMD)의 평탄화 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 BPSG막은 1000Å 내지 4000Å 두께로 증착하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 전 절연막(PMD)의 평탄화 방법.
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2001
- 2001-12-20 KR KR10-2001-0082066A patent/KR100444721B1/ko not_active IP Right Cessation
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