KR100571655B1 - 랜딩 플러그 콘택 구조를 가진 반도체 소자 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히 랜딩 플러그 콘택(landing plug contact, LPC) 구조를 가지는 반도체 소자 제조 공정에 관한 것이다. 본 발명은 랜딩 플러그 콘택 형성 후 진행되는 층간절연막 형성시에 유발되는 수소의 채널 영역으로의 침투를 방지할 수 있는 반도체 소자 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 게이트 전극(워드라인)과 비트라인 간의 전기적 절연을 위한 층간절연막 - 증착시 소오스 가스로부터 수소(H)를 발생시킴 - 형성시 수소는 게이트 측벽의 버퍼 산화막 스페이서를 통해 채널 영역으로 침투하게 된다. 즉, 버퍼 산화막 스페이서가 채널 영역으로의 수소 침투의 통로가 된다. 그런데, 게이트 측벽 스페이서로 질화막을 사용하지 않는 한 버퍼 산화막 스페이서의 사용을 배제하기 어렵다. 본 발명에서는 랜딩 플러그 콘택 형성 후 층간절연막 증착에 앞서 버퍼 산화막 스페이서의 상부를 패시베이션하는 공정을 삽입함으로써 수소의 침투 경로를 근본적으로 차단하는 방식을 적용한다.
랜딩 플러그 콘택, 수소 침투, 층간절연막, 버퍼 산화막 스페이서, 패시베이션
Description
도 1는 랜딩 플러그 콘택이 형성된 DRAM의 단면도.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 DRAM 제조 공정을 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 DRAM 제조 공정을 나타낸 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
20 : 실리콘 기판 21 : 소자분리막
22 : 소오스/드레인 23 : 게이트 산화막
24 : 게이트 전극용 전도막 25 : 하드 마스크 질화막
26 : 버퍼 산화막 스페이서 27 : 질화막 스페이서
28 : 층간절연막 29 : LPC
30 : 패시베이션층
본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히 랜딩 플러그 콘택(landing plug contact, LPC) 구조를 가지는 반도체 소자 제조 공정에 관한 것이다.
반도체 소자의 집적도가 증가함에 따라 전도라인 간의 간극이 좁아지고 있으며, 이에 따라 콘택 공정 마진이 줄어들고 있으며, 이러한 콘택 공정 마진을 확보하기 위하여 랜딩 플러그 콘택 구조를 널리 사용하고 있다.
랜딩 플러그 콘택 공정은 비트라인 콘택 및 스토리지 노드 콘택이 형성된 게이트 전극 사이의 간극에 미리 폴리실리콘을 매립시킴으로써 후속 콘택 공정시 오버레이 마진을 확보하는 기술이다.
도 1은 랜딩 플러그 콘택이 형성된 DRAM의 단면도로서, 이하 이를 참조하여 종래의 DRAM 제조 공정을 살펴본다.
우선, 실리콘 기판(10) 상에 소자분리막(11)을 형성하여 활성영역을 정의하고, 활성영역 표면에 게이트 산화막(13)을 성장시킨다.
다음으로, 기판 전체구조 상부에 게이트 전극용 전도막(폴리실리콘막 및/또는 금속막)(14)을 증착하고, 그 상부에 하드 마스크 질화막(15)을 증착한다.
이어서, 게이트 전극용 포토마스크를 사용한 사진 및 식각 공정을 실시하여 하드 마스크 질화막(15)을 패터닝하고, 패터닝된 하드 마스크 질화막(15)을 식각 마스크로 사용하여 게이트 전극용 전도막(14)을 패터닝하여 게이트 전극 패턴을 형성한다.
계속하여, 게이트 전극 패턴을 이온주입 마스크로 사용하여 노출된 활성영역에 저농도 소오스/드레인 이온주입을 실시하고, 게이트 전극 패턴 측벽에 버퍼 산화막 스페이서(16) 및 질화막 스페이서(17)을 차례로 형성한 후, 고농도 소오스/드레인 이온주입을 실시함으로써 소오스/드레인(12)을 형성한다.
다음으로, 기판 전체구조 상부에 층간절연막(18)을 증착하고, T자형 LPC 마스크 또는 I자형 LPC 마스크를 사용한 사진 및 식각 공정을 실시하여 층간절연막(18)을 식각한 후, 기판 전체구조 상부에 LPC용 폴리실리콘막을 증착하고, CMP 공정을 통해 하드 마스크 질화막(15)이 노출될 정도로 평탄화를 수행하여 LPC(19)를 형성한다.
이후, 층간절연막(도시되지 않음)을 증착하고 통상의 비트라인 및 캐패시터 형성 공정을 수행한다.
통상적으로, 게이트 측벽 스페이서로 질화막을 사용하고 있는데, 질화막 자체의 스트레스에 의해 셀 트랜지스터의 핫 캐리어 효과와 셀 전류 감소 등의 문제가 유발되고 있으며, 이를 극복하기 위하여 버퍼 산화막 스페이서(16)를 적용하고 있다.
한편, 게이트 전극(워드라인)과 비트라인 간의 전기적 절연을 위한 층간절연막으로 주로 고밀도플라즈마(HDP) 산화막이 적용되고 있는데, HDP 산화막 증착시 소오스 가스로부터 발생된 수소(H)가 게이트 하부의 채널 영역에 침투하여 채널 영역에 도핑된 도펀트(예컨대, 붕소)를 비활성화(deactivation) 시키는 문제점이 있었다. 이처럼 채널 영역의 도펀트가 비활성화되면 비활성화의 정도에 따라 셀 문턱 전압(Vt)의 강하 정도가 로컬하게 달라져 문턱전압의 균일도가 떨어지고, 이에 따라 펀치쓰루 붕괴전압 특성(Bvds) 등 트랜지스터의 특성이 열화되고 드레인 포화전류(Idsat)를 감소시키는 문제점이 있었다.
한편, 전술한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 HDP 산화막을 다른 종류의 층간절연막으로 대체하는 것을 고려할 수 있는데, 대부분의 산화막 증착을 위한 소오스 가스는 수소를 포함하고 있기 때문에 다소의 정도의 차이가 있을 뿐, 수소 이온 발생을 근본적으로 방지하기는 어렵다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 랜딩 플러그 콘택 형성 후 진행되는 층간절연막 형성시에 유발되는 수소의 채널 영역으로의 침투를 방지할 수 있는 반도체 소자 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 게이트 산화막이 형성된 실리콘 기판 상에 하드 마스크 절연막을 구비하는 게이트 전극 패턴을 형성하는 단계; 상기 게이트 전극 패턴의 측벽에 버퍼 산화막 스페이서 및 질화막 스페이서를 차례로 형성하는 단계; 상기 게이트 전극 패턴 사이의 예정된 간 극에 랜딩 플러그 콘택을 형성하는 단계; 상기 랜딩 플러그 콘택이 형성된 전체 구조 표면에 수소 차단 특성을 가진 패시베이션층을 형성하는 단계; 및 상기 패시베이션층이 형성된 전체 구조 상부에 층간절연막을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자 제조방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 게이트 산화막이 형성된 실리콘 기판 상에 하드 마스크 절연막을 구비하는 게이트 전극 패턴을 형성하는 단계; 상기 게이트 전극 패턴의 측벽에 버퍼 산화막 스페이서 및 질화막 스페이서를 차례로 형성하는 단계; 상기 게이트 전극 패턴 사이의 예정된 간극에 랜딩 플러그 콘택을 형성하는 단계; 상기 랜딩 플러그 콘택이 형성된 전체 구조 표면에 N형 도펀트를 도핑하는 단계; 및 상기 N형 도펀트가 도핑된 전체구조 상부에 층간절연막을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자 제조방법이 제공된다.
한편, 상기 N형 도펀트를 도핑하는 단계에서, 이온주입 에너지 2∼50keV, 이온주입 도즈 1×1015∼1×1016ions/㎠ 조건을 사용하여 인(P) 또는 비소(As)를 도핑하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 N형 도펀트를 도핑하는 단계에서, N형 도펀트를 포함하는 가스를 사용한 플라즈마 처리를 수행할 수 있다.
또한, 상기 N형 도펀트를 도핑하는 단계에서, PH3 가스 도핑 공정을 수행할 수 있다.
그리고, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 게이트 산화막이 형성된 실리콘 기판 상에 하드 마스크 절연막을 구비하는 게이트 전극 패턴을 형성하는 단계; 상기 게이트 전극 패턴의 측벽에 버퍼 산화막 스페이서 및 질화막 스페이서를 차례로 형성하는 단계; 상기 게이트 전극 패턴 사이의 예정된 간극에 랜딩 플러그 콘택을 형성하는 단계; 상기 랜딩 플러그 콘택이 형성된 전체 구조 표면에 캡핑 질화막을 형성하는 단계; 및 상기 캡핑 질화막이 형성된 전체구조 상부에 층간절연막을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자 제조방법이 제공된다.
한편, 상기 캡핑 질화막을 형성하는 단계에서, 저압화학기상증착(LPCVD) 또는 플라즈마화학기상증착(PECVD) 방식을 이용하여 질화막을 증착하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 캡핑 질화막을 형성하는 단계에서, 질화 공정을 통해 기판 표면을 질화 시키는 공정을 수행할 수 있다.
또한, 상기 캡핑 질화막은 50∼500Å 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
게이트 전극(워드라인)과 비트라인 간의 전기적 절연을 위한 층간절연막 - 증착시 소오스 가스로부터 수소(H)를 발생시킴 - 형성시 수소는 게이트 측벽의 버퍼 산화막 스페이서를 통해 채널 영역으로 침투하게 된다. 즉, 버퍼 산화막 스페이서가 채널 영역으로의 수소 침투의 통로가 된다. 그런데, 게이트 측벽 스페이서로 질화막을 사용하지 않는 한 버퍼 산화막 스페이서의 사용을 배제하기 어렵다. 본 발명에서는 랜딩 플러그 콘택 형성 후 층간절연막 증착에 앞서 버퍼 산화막 스페이서의 상부를 패시베이션하는 공정을 삽입함으로써 수소의 침투 경로를 근본적으로 차단하는 방식을 적용한다. 한편, 패시베이션 공정으로는 수소에 대한 확산방지 특성을 가진 절연막(예컨대, 질화막)을 얇게 형성하거나, 수소를 캡쳐할 수 있는 원소(예컨대, N형 도펀트)를 도핑하는 공정을 적용할 수 있다.
이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 DRAM 제조 공정을 나타낸 단면도이다.
본 실시예에 따른 랜딩 플러그 콘택 형성 공정은, 우선 도 2a에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(20) 상에 소자분리막(21)을 형성하여 활성영역을 정의하고, 활성영역 표면에 게이트 산화막(23)을 성장시킨다.
다음으로, 기판 전체구조 상부에 게이트 전극용 전도막(폴리실리콘막 및/또는 금속막)(24)을 증착하고, 그 상부에 하드 마스크 질화막(25)을 증착한다.
이어서, 게이트 전극용 포토마스크를 사용한 사진 및 식각 공정을 실시하여 하드 마스크 질화막(25)을 패터닝하고, 패터닝된 하드 마스크 질화막(25)을 식각 마스크로 사용하여 게이트 전극용 전도막(24)을 패터닝하여 게이트 전극 패턴을 형성한다.
계속하여, 게이트 전극 패턴을 이온주입 마스크로 사용하여 노출된 활성영역에 저농도 소오스/드레인 이온주입을 실시하고, 게이트 전극 패턴 측벽에 버퍼 산화막 스페이서(26) 및 질화막 스페이서(27)을 차례로 형성한 후, 고농도 소오스/드레인 이온주입을 실시함으로써 소오스/드레인(22)을 형성한다.
다음으로, 기판 전체구조 상부에 층간절연막(28)을 증착하고, T자형 LPC 마스크 또는 I자형 LPC 마스크를 사용한 사진 및 식각 공정을 실시하여 층간절연막(28)을 식각한 후, 기판 전체구조 상부에 LPC용 폴리실리콘막을 증착하고, CMP 공정을 통해 하드 마스크 질화막(25)이 노출될 정도로 평탄화를 수행하여 LPC(29)를 형성한다.
이어서, 도 2b에 도시된 바와 같이 기판 전면에 대해 N형 도펀트를 고농도로 이온주입하여 패시베이션층(30)을 형성한다. 이때, N형 도펀트로는 인(P) 또는 비소(As)를 사용하며, 이온주입 에너지는 2∼50keV, 이온주입 도즈는 1×1015∼1×1016ions/㎠이 바람직하다.
이후, 게이트 전극(워드라인)과 비트라인 간의 전기적 절연을 위한 층간절연막(도시되지 않음)을 증착하고, 통상의 비트라인 및 캐패시터 형성 공정을 수행한다. 여기서, 게이트 전극(워드라인)과 비트라인 간의 전기적 절연을 위한 층간절연막은 당연히 종래기술 설명에서 언급한 HDP 산화막과 같이 증착시 소오스 가스로부터 수소(H)를 발생시키는 층간절연막이다.
전술한 일 실시예에 따르면, 후속 층간절연막 증착시 발생하는 수소의 침투 경로인 버퍼 산화막 스페이서(26)의 상부에 수소 이온을 캡쳐할 수 있는 N형 도펀트가 고농도로 도핑된 패시베이션층(30)이 존재하기 때문에 수소 이온이 채널 영역으로 침투하는 것을 방지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 DRAM 제조 공정을 나타낸 단면도이다.
본 실시예에 따른 DRAM 제조 공정은, 우선 상기 도 2a에서 설명한 통상의 공정을 통해 LPC(49)를 형성한다.
다음으로, 도 3에 도시된 바와 같이 기판 전체구조 표면에 50∼500Å 두께의 캡핑 질화막(50)을 증착한다. 이때, 캡핑 질화막(50)은 저압화학기상증착(LPCVD) 또는 플라즈마화학기상증착(PECVD) 방식을 이용하여 증착하는 것이 바람직하나, 이를 대신하여 통상의 질화 공정을 통해 기판 표면을 질화(nitridation) 시키는 공정을 채택할 수 있다. 미설명 도면 부호 40은 실리콘 기판, 41은 소자분리막, 42는 소오스/드레인, 43은 게이트 산화막, 44는 게이트 전극용 전도막, 45는 하드 마스크 질화막, 46은 버퍼 산화막 스페이서, 47은 질화막 스페이서, 48은 층간절연막을 각각 나타낸 것이다.
전술한 다른 실시예에 따르면 후속 비트라인과 게이트 전극(워드라인) 간의 전기적 절연을 위한 층간절연막 증착시 발생하는 수소의 침투 경로인 버퍼 산화막 스페이서(46)의 상부를 수소 이온에 대한 확산방지 특성을 가진 질화막(50)을 캡핑하기 때문에 수소 이온이 채널 영역으로 침투하는 것을 방지할 수 있다.
하기의 표 1은 종래기술 적용시, 본 발명의 일 실시예 적용(31P, 20keV, 5×1015ions/㎠ 조건 적용)시, 본 발명의 다른 실시예 적용(캡핑 질화막 100Å 조건 적용)시의 여러가지 소자 특성을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
| 종래기술 | 일 실시예 | 다른 실시예 | |
| 셀 문턱전압(Vt) | 0.66V | 0.89V | 0.88V |
| 드레인 포화전류(Idsat) | 29㎂ | 36㎂ | 34㎂ |
| Bvds | 2.0V | 3.8V | 3.6V |
상기 표 1을 참조하면, 본 발명 적용시 셀 문턱전압(Vt) 특성, 드레인 포화 전류(Idsat) 특성, 펀치쓰루 붕괴전압(Bvds) 특성 모두에서 종래기술에 비해 우수한 결과를 얻을 수 있었음을 확인할 수 있다.
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.
예컨대, 전술한 일 실시예에서는 N형 도펀트를 도핑하기 위하여 이온주입 공정을 적용하는 경우를 일례로 들어 설명하였으나, 이온주입과 더불어 표면처리 기술로 널리 사용되는 플라즈마 처리 또는 PH3 가스 도핑 공정을 수행하는 경우에도 본 발명은 적용된다. 여기서, 플라즈마 처리를 수행하는 경우에는 N형 도펀트를 포함하는 가스를 플라즈마 소오스로 사용하면 된다.
또한, 전술한 실시예들에서는 DRAM 제조 공정시를 일례로 들어 설명하였으나, 본 발명은 랜딩 플러그 콘택 구조를 가지는 다른 반도체 소자 제조 공정에도 적용할 수 있다.
전술한 본 발명은 LPC 형성 후 수행되는 층간절연막 증착시 발생하는 수소 이온의 채널 영역으로의 침투를 효과적으로 방지할 수 있으며, 이로 인하여 반도체 소자의 특성을 개선하는 효과가 있다.
Claims (9)
- 게이트 산화막이 형성된 실리콘 기판 상에 하드 마스크 절연막을 구비하는 게이트 전극 패턴을 형성하는 단계;상기 게이트 전극 패턴의 측벽에 버퍼 산화막 스페이서 및 질화막 스페이서를 차례로 형성하는 단계;상기 게이트 전극 패턴 사이의 예정된 간극에 랜딩 플러그 콘택을 형성하는 단계;상기 랜딩 플러그 콘택이 형성된 전체 구조 표면에 수소 차단 특성을 가진 패시베이션층을 형성하는 단계; 및상기 패시베이션층이 형성된 전체 구조 상부에 층간절연막 - 증착시 소오스 가스로부터 수소(H)를 발생시키는 층간절연막임 - 을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자 제조방법.
- 게이트 산화막이 형성된 실리콘 기판 상에 하드 마스크 절연막을 구비하는 게이트 전극 패턴을 형성하는 단계;상기 게이트 전극 패턴의 측벽에 버퍼 산화막 스페이서 및 질화막 스페이서를 차례로 형성하는 단계;상기 게이트 전극 패턴 사이의 예정된 간극에 랜딩 플러그 콘택을 형성하는 단계;상기 랜딩 플러그 콘택이 형성된 전체 구조 표면에 N형 도펀트를 도핑하는 단계; 및상기 N형 도펀트가 도핑된 전체구조 상부에 층간절연막 - 증착시 소오스 가스로부터 수소(H)를 발생시키는 층간절연막임 - 을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자 제조방법.
- 제2항에 있어서,상기 N형 도펀트를 도핑하는 단계에서,이온주입 에너지 2∼50keV, 이온주입 도즈 1×1015∼1×1016ions/㎠ 조건을 사용하여 인(P) 또는 비소(As)를 도핑하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
- 제2항에 있어서,상기 N형 도펀트를 도핑하는 단계에서,N형 도펀트를 포함하는 가스를 사용한 플라즈마 처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
- 제2항에 있어서,상기 N형 도펀트를 도핑하는 단계에서,PH3 가스 도핑 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
- 게이트 산화막이 형성된 실리콘 기판 상에 하드 마스크 절연막을 구비하는 게이트 전극 패턴을 형성하는 단계;상기 게이트 전극 패턴의 측벽에 버퍼 산화막 스페이서 및 질화막 스페이서를 차례로 형성하는 단계;상기 게이트 전극 패턴 사이의 예정된 간극에 랜딩 플러그 콘택을 형성하는 단계;상기 랜딩 플러그 콘택이 형성된 전체 구조 표면에 캡핑 질화막을 형성하는 단계; 및상기 캡핑 질화막이 형성된 전체구조 상부에 층간절연막 - 증착시 소오스 가스로부터 수소(H)를 발생시키는 층간절연막임 - 을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자 제조방법.
- 제6항에 있어서,상기 캡핑 질화막을 형성하는 단계에서,저압화학기상증착(LPCVD) 또는 플라즈마화학기상증착(PECVD) 방식을 이용하여 질화막을 증착하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
- 제7항에 있어서,상기 캡핑 질화막을 형성하는 단계에서,질화 공정을 통해 기판 표면을 질화 시키는 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
- 제7항 또는 제8항에 있어서,상기 캡핑 질화막은 50∼500Å 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
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