KR100574923B1 - 황 함유 탄화불소 가스를 사용하는 산화막의 건식 에칭 방법 - Google Patents

황 함유 탄화불소 가스를 사용하는 산화막의 건식 에칭 방법 Download PDF

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Abstract

황 함유 탄화불소 가스를 사용하는 산화막의 건식 에칭 방법에 관하여 개시한다. 본 발명에서는 질화막을 에칭 장벽층으로 하여 산화막을 건식 에칭할 때, 에칭 가스로서 황 함유 탄화불소 가스를 공급한다.

Description

황 함유 탄화불소 가스를 사용하는 산화막의 건식 에칭 방법{Method for dry etching oxide film using sulfur-containing fluorocarbon gas}
도 1 및 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 산화막의 건식 에칭 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
10: 반도체 기판, 20: 도전 패턴,
22: 질화막, 24: 반응 부산물층,
30: 층간절연막, 30a: 층간절연막 패턴,
35: 에칭 가스, 40: 포토레지스트 패턴,
50: 자기정렬 콘택홀.
본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 질화막을 에칭 장벽층으로 이용하여 산화막을 에칭하는 방법에 관한 것이다.
반도체 소자가 고집적화됨에 따라 하부 배선층과 상부 배선층을 연결시키는 콘택홀과 그 주변 배선과의 간격이 감소하고, 또한 상기 콘택홀의 아스펙트 비(aspect ratio)가 증가한다. 따라서, 다층 배선 구조를 채용하는 고집적 반도체 소자에서 리소그래피(lithography) 공정을 이용하여 콘택홀을 형성할 때 정확하고 엄격한 공정 조건이 요구되며, 특히 디자인 룰(design rule)이 0.25μm 이하인 소자를 제조하는 데 있어서 현재의 리소그래피 기술로는 원하는 공정을 재현성있게 실현하는 데 한계가 있다.
그에 따라, 콘택홀을 형성할 때 리소그래피 공정의 한계를 극복하기 위하여 자기정렬 방법으로 콘택홀을 형성하는 기술이 개발되었다. 이와 같은 자기정렬 콘택홀 형성 방법의 하나로서 질화막 스페이서를 에칭 장벽층으로 사용하여 산화막을 에칭하는 방법이 있다.
질화막 스페이서를 에칭 장벽층으로 하여 자기정렬 콘택홀을 형성하기 위한 종래의 방법에서는, 먼저 통상의 포토리소그래피 공정을 이용한 패터닝 방법에 의하여 반도체 기판상에 단면 형상이 대략 사각형인 소정의 하부 구조물, 예를 들면 게이트 전극과 같은 도전층을 형성하고, 상기 결과물 전면에 질화막을 형성한 후 에치백하여 상기 도전층을 덮는 에칭 장벽층을 형성하고, 이어서 산화막으로 이루어지는 층간절연막을 순차 형성한다. 그 후, 콘택홀 영역으로 예정된 부분 위의 층간절연막을 노출시키는 포토레지스트 패턴을 형성하고, 상기 노출된 층간절연막을 에칭하여 자기정렬 콘택홀을 형성한다.
상기와 같은 자기정렬 콘택홀을 형성하기 위한 산화막 에칭 공정에서는 하부 막질 즉 질화막에 대한 높은 에칭 선택비가 요구된다.
이를 위하여, 종래 기술에서는 자기정렬 콘택홀 형성 공정에서와 같이 높은 에칭 선택비를 요구하는 공정에서 산화막 에칭에 사용되는 가스로서 CxFy계의 PFC(perfluorocarbon) 가스, 예를 들면 C3F8, C4F8, C5F8, C4F6 등을 불활성 가스와 혼합하여 사용하거나 또는 상기 PFC 가스에 CxHyFz(1≤y≤3) 등의 HFC(hydrofluorocarbon) 가스를 첨가제로서 혼합하여 사용하였다.
PFC 가스를 사용하여 에칭 공정을 행하는 경우, 에칭 공정시 발생되는 폴리머가 산화막 재질의 층간절연막상에 증착되면 산화막으로부터 발생되는 산소에 의해 폴리머 등이 지속적으로 제거되어 에칭이 이루어지지만, 폴리머가 질화막상에 증착되면 에칭 소스가 없으므로 질화막이 손상되지 않는다.
따라서, 폴리머가 증가하면 산화막과 질화막간의 에칭 선택비는 증가하는 데 반하여, 폴리머의 양이 이상적으로 증가하거나, 에칭되지 않는 성분의 폴리머가 생성되면 도중에 에칭이 정지되는 문제가 있다. 따라서, 선택할 수 있는 에칭 선택비에는 한계가 있다.
또한, PFC 가스는 지구 온난화계수(GWP)가 이산화탄소의 수 천배 정도로 커서, 대기에 직접 방출되는 경우에 지구 환경에 약영향을 끼친다. 따라서, 산화막 에칭시 사용 가능한 가스로서 PFC 가스를 대체할 수 있는 새로운 가스의 개발이 시급하다.
본 발명의 목적은 디자인 룰이 0.25μm 이하인 고집적 반도체 소자를 제조할 때, 질화막을 에칭 장벽층으로 사용하는 산화막 에칭 공정시 에칭 선택비의 한계 및 지구 온난화 관점에서의 한계를 극복할 수 있도록 새로운 에칭 가스를 사용하여 신화막을 건식 에칭하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 질화막을 에칭 장벽층으로 하여 산화막을 건식 에칭하는 방법에 있어서, 상기 산화막의 건식 에칭 단계에서는 황 함유 탄화불소 가스로 이루어지는 에칭 가스를 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화막의 건식 에칭 방법을 제공한다.
상기 황 함유 탄화 불소 가스는 C4F8S, C3F6S, C3F 6S2, 황 함유 HFC(hydrofluorocarbon) 가스, 또는 이들의 조합으로 이루어지는 혼합 가스로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 에칭 가스는 산소, 산소 함유 가스, CxFy (x = 1∼6, y = 2∼12)계 가스, CxHyFz (x = 1∼6, y = 1∼4, z = 2∼10)계 가스, 불활성 가스, 또는 이들의 조합으로 이루어지는 혼합 가스를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 질화막을 에칭 장벽층으로 하여 산화막을 건식 에칭할 때, 비휘발성이면서 비교적 불안정한 반응 부산물들에 의하여 질화막에 대한 산화막의 에칭 선택비를 훨씬 높일 수 있고, 지구 환경에 미치는 악영향을 줄일 수 있는 효과가 있다.
다음에, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
반도체 소자의 제조 공정에 있어서, 플라즈마를 이용하여 건식 에칭 공정을 행할 때, 플라즈마 발생 방식을 포함한 에칭 장비 자체의 특성과, 에칭 공정시 사용되는 화학 작용에 의하여 공정의 퍼포먼스(performance)가 결정된다.
본 발명에서는 산화막 에칭 공정에서 에칭 장벽층을 구성하는 질화막에 대한 높은 에칭 선택비를 확보하기 위하여, 산화막 에칭에 사용되는 가스로서 황 함유 탄화불소 가스를 사용한다. 황 함유 탄화불소 가스들은 탄화불소 체인에 황이 포함된 구조, 즉 C-S-C 결합을 포함하는 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.
일반적으로, 동일한 에칭 조건 하에서 막질들간의 에칭 선택비는 상기 각 막질들간의 강도 차이와, 각 막질과 에천트(etchant)와의 반응성의 차이에 의하여 결정된다.
산화막과 질화막의 경우에는 각 막질의 강도 차이에 의한 에칭 선택비는 2 ∼ 3 수준에 불과하다. 그러나, CxFy계 가스를 사용하여 산화막을 에칭하는 경우에는 상용되는 에칭 장비에서 통상적으로 약 15 정도의 에칭 선택비가 확보되고 있다. 이로부터, 막질들간의 강도 차이 외에 각 막질과 에천트와의 반응성의 차이가 에칭 선택비에 미치는 바가 매우 큰 것을 알 수 있다.
플라즈마를 이용하는 통상의 에칭 반응은 플라즈마의 준 평형 특성에 의하여 열역학적 평형 상태에서 이루어지는 것이 아니므로, 열역학적 데이터 만으로 그 반응을 기술하는 데에는 한계가 있다. 즉, 속도론에 입각한 기술이 필요하다. 그러나, 플라즈마를 이용하는 통상적인 에칭 반응에서는 얻어지는 반응 부산물의 안정 성 및 휘발성이 에칭 속도와 밀접한 상관 관계를 나타낸다. 따라서, 어떤 막질과 에천트와의 반응성을 판단하는 기준으로서 에칭 반응에서 얻어지는 반응 부산물의 안정성 및 휘발성을 활용할 수 있다.
반응식 1은 통상의 CxFy계 가스를 에천트로 사용하여 산화막과 질화막을 식각하는 경우 각각에 있어서 대표적인 반응식을 나타낸 것이다.
[반응식 1]
SiO2 + CxFy → SiFx + COx (1)
Si3N4 + CxFy → SiFx + CN(또는 FCN) (2)
CxFy계 에천트를 사용하여 건식 식각을 행하는 경우, 에천트와 에칭 대상 막질간의 반응성 차이에 의하여 얻어지는 질화막의 에칭 선택비는 에천트의 탄소(C) 성분과 결합되는 반응 부산물의 안정성 차이에 의하여 결정된다.
즉, 반응식 1에서 식 (1)로 나타낸 바와 같은 산화막 에칭의 경우에는 에천트의 탄소 성분과 산화막의 산소 원자(O)가 결합되어 CO, CO2 등과 같은 안정된 휘발성 생성물이 얻어진다. 그러나, 반응식 1에서 식 (2)로 나타낸 바와 같은 질화막 에칭의 경우에는 탄소(C)와 질소(N)의 결합물인 CN, FCN 등과 같이 그 안정성이 COx 종들에 비하여 낮은 반응 부산물이 얻어진다. 따라서, 질화막 표면에 공급되는 탄소 성분을 효과적으로 제거하지 못하게 된다. 이런 경우에는 질화막 표면에 탄소계의 폴리머가 증착되어 질화막 표면에서의 에칭 속도를 저하시키고, 그 결과 질화막 의 에칭 선택비가 결정된다.
반응식 2는 본 발명에 따라 황 함유 탄화불소 가스인 CxFySz계 에천트를 사용하여 산화막과 질화막을 에칭하는 경우 각각에 있어서 대표적인 반응식을 나타낸 것이다.
[반응식 2]
SiO2 + CxFySz → SiFx + COx + CSx + SOx (3)
Si3N4 + CxFySz → SiFx + CN(또는 FCN) + CSx + SxNy (4)
반응식 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 CxFySz계 에천트를 사용하여 에칭하는 경우에는, 반응식 1에서와 같이 통상의 CxFy계 에천트를 사용하는 경우 얻어질 수 있는 COx와 CN(FCN)의 안정성 차이 외에도, SOx와 SxNy간의 안정성 차이도 에칭 선택비 결정에 관여하게 되는 것을 알 수 있다.
즉, 반응식 2에서 식 (3)으로 나타낸 바와 같은 산화막 에칭의 경우에는 휘발성인 COx와 SOx가 효과적으로 생성되어 높은 에칭 속도를 보이게 된다. 반면, 반응식 2에서 식 (4)로 나타낸 바와 같은 질화막 에칭의 경우에는 탄소계의 CN, FCN 외에도 비휘발성인 SxNy계의 반응 부산물이 얻어진다. 따라서, 질화막 표면에는 탄소 성분 뿐 만 아니라 SxNy계의 성분이 증착되어 통상의 CxFy계 가스를 사용하는 경우보다 에칭 선택비를 높일 수 있다.
표 1은 반응식 1에 나타낸 바와 같은 통상의 CxFy계 가스를 사용한 에칭 반응시 얻어질 수 있는 주요 반응 부산물과, 반응식 2에 나타낸 바와 같은 본 발명에 따른 CxFySz계 가스를 사용한 에칭 반응시 얻어질 수 있는 주요 반응 부산물을 비교한 것이다.
에천트 CxFy계 가스 CxFySz계 가스
에칭 대상 막질이 산화막(SiO2) SiFx, CO, CO2 SiFx, CO, CO2, SO2, SO3
에칭 대상 막질이 질화막(Si3N4) SiFx, CN, FCN SiFx, CN, FCN, N4S2, N4S4, N5S2
표 1에 나타낸 바와 같이, CxFy계 가스를 사용한 질화막의 에칭 반응에서는 CN, FCN과 같은 비교적 불안정한 반응 부산물이 얻어지는 데 그치는 반면, 본 발명에 따라 CxFySz계 가스를 사용한 질화막의 에칭 반응에서는 CN, FCN, N 4S2, N4S4, N5S2와 같이 비휘발성이면서 비교적 불안정한 반응 부산물들이 더 많이 얻어진다. 따라서, 본 발명에 따라 CxFySz계 가스를 사용하는 경우에는 통상의 CxFy계 가스를 사용하는 경우에 비하여 질화막에 대한 산화막의 에칭 선택비를 훨씬 높일 수 있다.
또한, 본 발명에서 에칭 가스로서 제안된 황 함유 탄화불소 가스는 C-S-C 결합을 포함하고 있으므로, PFC계 가스들에 비하여 대기중에서 분해가 쉽게 이루어진다. 따라서, 이들의 지구 온난화계수가 낮고, 기존의 PFC 가스의 대체 가스로서 활용할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 산화막의 건식 에칭 방법 을 설명하기 위하여 질화막을 에칭 장벽층으로 사용하여 반도체 소자의 자기정렬 콘택홀을 형성하는 공정에 본 발명을 적용한 예를 도시한 단면도들이다.
도 1을 참조하면, 반도체 기판(10), 예를 들면 실리콘 웨이퍼상에 게이트 전극, 비트 라인 등과 같은 소정의 도전 패턴(20)을 형성하고, 상기 도전 패턴(20)의 상면 및 측벽을 덮는 질화막(22)을 형성한 후, 그 상부에 층간절연막(30)을 형성한다.
이 때, 상기 층간절연막(30)은 BPSG(Boro Phospho Silicate Glass), TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate), PSG(Phospho Silicate Glass) 등의 산화막 재질로 형성한다.
그 후에, 상기 층간절연막(30) 위에 콘택홀 영역으로 예정된 부분 위의 상기 층간절연막(30)을 노출시키는 포토레지스트 패턴(40)를 형성한다.
도 2를 참조하면, 상기 포토레지스트 패턴(40)을 에칭 마스크로 하고 황 함유 탄화불소 가스를 에칭 가스(35)로 사용하여 상기 포토레지스트 패턴(40)에 의하여 노출되어 있는 층간절연막(30)을 플라즈마를 이용한 건식 에칭 방법에 의하여 에칭하여, 상기 질화막(22) 및 상기 반도체 기판(10)의 활성 영역을 노출시키는 자기정렬 콘택홀(50)이 형성된 층간절연막 패턴(30a)을 형성한다.
이 때, 상기 건식 에칭 공정시, 상기 에칭 가스(35)로 사용되는 황 함유 탄화불소 가스로서 예를 들면 C4F8S (perfluoro-thiophene), C3F6S (perfluoropropylene sulfide), C3F6S2 (perfluoro-1,3-dithiolane) 등을 사용하거 나, 이들의 조합을 사용할 수 있다.
또는, 상기 에칭 가스(35)로 사용되는 황 함유 탄화불소 가스로서 황 함유 HFC(hydrofluorocarbon) 가스를 사용하는 것도 가능하다.
또한, 상기 황 함유 탄화불소 가스에 산소(O2) 또는 산소 함유 가스, 예를 들면 CO, CO2 등을 첨가한 혼합 가스를 상기 에칭 가스(35)로 하여 상기 건식 에칭 공정을 행할 수도 있다.
또한, 상기 황 함유 탄화불소 가스에 CxFy (x = 1∼6, y = 2∼12)계 가스 또는 HFC계 가스 즉 CxHyFz (x = 1∼6, y = 1∼4, z = 2∼10)계 가스를 첨가한 혼합 가스를 상기 에칭 가스(35)로 하여 상기 건식 에칭 공정을 행하는 것도 가능하다.
상기 건식 에칭 공정을 행할 때, 상기 에칭 가스(35)와 함께 불활성 가스, 예를 들면 Ar, He, Xe 등을 약 10 ∼ 90부피%의 분율로 공급할 수 있다.
그 결과, 상기 자기정렬 콘택홀(50)에 의하여 노출된 질화막(22)의 표면에는 탄소계 폴리머와, N4S2, N4S4, N5S2와 같은 SxNy계로 이루어지는 비휘발성이면서 비교적 불안정한 반응 부산물층(24)이 형성되어, 비교적 높은 에칭 선택비를 가지고 상기 층간절연막(30)을 효과적으로 건식 식각할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 질화막을 에칭 장벽층으로 하여 산화막을 건식 에칭할 때, 에칭 가스로서 황 함유 탄화불소 가스를 사용하므로, 질화막 의 에칭 반응에서 얻어지는 CN, FCN, N4S2, N4S4, N5S 2와 같이 비휘발성이면서 비교적 불안정한 반응 부산물들에 의하여 질화막에 대한 산화막의 에칭 선택비를 훨씬 높일 수 있다.
또한, 본 발명에서 에칭 가스로서 제안된 황 함유 탄화불소 가스는 C-S-C 결합을 포함하고 있으므로, PFC계 가스들에 비하여 대기중에서 분해가 쉽게 이루어져서 지구 환경에 미치는 악영향을 줄일 수 있는 효과가 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (3)

  1. 질화막을 에칭 장벽층으로 하여 산화막을 건식 에칭하는 방법에 있어서,
    상기 산화막의 건식 에칭 단계에서는 황 함유 탄화불소 가스로 이루어지는 에칭 가스를 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화막의 건식 에칭 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 황 함유 탄화 불소 가스는 C4F8S, C3F6S, C3F6S2, 황 함유 HFC(hydrofluorocarbon) 가스, 또는 이들의 조합으로 이루어지는 혼합 가스인 것을 특징으로 하는 산화막의 건식 에칭 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 에칭 가스는 산소, 산소 함유 가스, CxFy (x = 1∼6, y = 2∼12)계 가스, CxHyFz (x = 1∼6, y = 1∼4, z = 2∼10)계 가스, 불활성 가스, 또는 이들의 조합으로 이루어지는 혼합 가스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산화막의 건식 에칭 방법.
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