KR100752190B1 - 반도체 소자의 갭필 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 갭필 방법에 관한 것으로서, (a) 갭의 일부를 채우는 제1 고밀도 플라즈마 산화막을 증착하는 단계; (b) NF3 가스를 이용하여 상기 제1 고밀도 플라즈마 산화막의 일부를 식각하여 후속 공정의 제2 고밀도 플라즈마 산화막의 갭필이 용이한 형상을 갖도록 하는 단계; 및 (c) 상기 제1 고밀도 플라즈마 산화막의 상부에 상기 제2 고밀도 플라즈마 산화막을 증착하는 단계를 포함하되, 상기 단계 (a), 상기 단계 (b) 및 상기 단계 (c)를 순차적으로 3 회 반복하는 반도체 소자의 갭필 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 식각 시간, 식각 횟수 및 RF 주파수 등의 최적화된 증착 조건을 제공함으로써, 반도체 소자의 갭필 시 보이드가 없도록 하여 재공정이 발생하지 않도록 하는 효과가 있다.
갭필, STI, HDP, DED

Description

반도체 소자의 갭필 방법{Method for Gapfilling in Semiconductor Device}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 DED 방식을 이용한 반도체 소자의 갭필 방법을 나타낸 흐름도,
도 2는 공정 파라미터 및 스플릿 조건에 따른 갭필 능력을 나타낸 도면,
도 3은 식각 시간에 따른 갭필 능력을 나타낸 도면,
도 4는 RF 주파수에 따른 식각 비율을 나타낸 그래프,
도 5는 RF 주파수에 따른 갭필 능력을 비교한 도면,
도 6은 DED 단계 수에 따른 갭필 능력을 비교한 도면이다.
본 발명은 반도체 소자의 갭필 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 보이드없이 갭필하기 위한 반도체 소자의 갭필 방법에 관한 것이다.
고밀도 플라즈마 화학 기상 증착은 반도체 산업에서 산화 유전막 제조에 사용되는 방법이다. 반도체 장치의 집적도가 향상되면서 종횡비(Aspect Ratio)가 3 이상인 STI(Shallow Trench Isolation)에서도 보이드없는 산화 유전 갭필이 요구되고 있다.
현재 파운드리 컴퍼터블 기술(Foundry Compatible Technology)에서 사진 공정과 식각 공정에서 마진이 부족하여 보이드가 발생하는 경우가 있어 다량의 웨이퍼가 스크랩되고, 이로 인해 재공정 등의 손실이 발생하고 있다. 이 문제를 해결하는 것이 급선무이지만, 다른 공정의 마진 확보를 하는 것은 많은 어려움이 있기 때문에 STI 갭필의 마진을 넓게 하는 것이 공정 측면에서 가장 용이한 방법이다. 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착에서는 증착(Deposition)과 스퍼터링(Sputtering)이 동시에 발생하여 산화막을 형성하는 방식이다. 막이 형성되는 동안에 증착과 스퍼터링의 비율을 D/S란 수치로 나타내는데, "D/S=(순 증착 비율+전체 스퍼터링 비율)/전체 스퍼터링 비율"로 표시된다. D/S가 크다는 것은 스퍼터링 비율에 비해 증착 비율이 월등히 크기 때문에 소스 가스에 의한 스퍼터링보다는 증착이 막 생성에 크게 기여한다는 것이고, D/S가 작다는 것은 그 반대로 소스 가스에 의한 스퍼터링이 증착보다 크기 때문에 전체적인 증착 비율이 작고 스퍼터링 비율이 크다는 것을 의미한다. 낮은 D/S는 STI 갭필 시에 STI 내부에 상향식 필링(Bottom up Filling)이 완료되기 전에 STI 갭이 닫혀버리는 것을 스퍼터링을 통해 제거해주기 때문에 종횡비가 3 이상인 장치의 갭필이 유리하다. 하지만, 너무 낮은 D/S는 STI 패턴까지 제거할 수 있으므로 각 공정에 적합한 D/S를 사용하는 것이 중요하다.
고밀도 플라즈마 화학 기상 증착을 이용한 산화 유전막 형성에서 갭필에 영향을 주는 인자로는 플라즈마 밀도, 플라즈마 균일성, 압력, 플라즈마 전위, 전자 온도, 기판 온도 등이 있다. 소스 가스의 분해는 RF 파워에 의해 발생한 플라즈마에 의해 발생하기 때문에 플라즈마 밀도와 균일성은 고밀도 플라즈마 화학 기상 증 착 갭필에 영향을 주는 중요한 인자로 작용을 한다.
증착 중에 반응물 챔버의 진공도는 3~5 mTorr를 유지하게 되는데 그 이유는 스퍼터링에 의해 제거된 부산물을 고 진공 펌프를 통하여 제거하여 부산물에 의한 상향식 필링이 방해받지 않게 하기 위함이다. 소스 가스로 Xe와 같이 원자 반경이 큰 원소를 첨가하면 플라즈마 전위가 감소하여 플라즈마 밀도가 감소하게 되고 그 반대의 경우인 H2, He와 같은 원자 반경이 작은 원소를 첨가하면 플라즈마 전위가 증가하게 되고 그 결과 플라즈마 밀도를 향상시켜 STI 갭필에 유리한 조건을 가지게 된다.
종횡비가 5 이상인 STI 갭필을 위해서는 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착에서 증착 단계와 에칭 단계를 분리하는 방법을 사용하는데 이것은 SiH4/O2를 이용하여 산화 물질을 증착하고, 다음 단계에서 NF3 가스를 이용하여 증착 중에 STI 측벽에 생긴 오버행(Overhang) 산화물을 제거하여 다음 단계에서 증착을 용이하게 하는 방법이다.
하지만, 종래의 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착에서 가스 유량, 바이어스 전력 및 RF 주파수 등의 DED 조건에 의하면, 보이드가 발생하여 다량의 웨이퍼가 스크랩되고, 이로 인해 재공정 등의 손실이 발생하게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 보이드없이 갭필하기 위한 반도체 소자의 갭필 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 목적은 식각 시간, 식각 횟수 및 RF 주파수 등의 DED 조건에 따라 최적화된 증착 조건을 제공하는 방법을 제공한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반도체 소자의 갭필 방법에 있어서, (a) 갭의 일부를 채우는 제1 고밀도 플라즈마 산화막을 증착하는 단계; (b) NF3 가스를 이용하여 상기 제1 고밀도 플라즈마 산화막의 일부를 식각하여 후속 공정의 제2 고밀도 플라즈마 산화막의 갭필이 용이한 형상을 갖도록 하는 단계; 및 (c) 상기 제1 고밀도 플라즈마 산화막의 상부에 상기 제2 고밀도 플라즈마 산화막을 증착하는 단계를 포함하되, 상기 단계 (a), 상기 단계 (b) 및 상기 단계 (c)를 순차적으로 3 회 반복하는 반도체 소자의 갭필 방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 DED 방식을 이용한 반도체 소자의 갭필 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 1을 참조하면, DED 방식을 이용한 갭필 공정은 제1 증착 단계(S110), 식각 단계(S120) 및 제2 증착 단계(S130)로 구성된다. 여기서, DED 방식을 이용한 갭필 공정은 제1 증착 단계(S110), 식각 단계(S120) 및 제2 증착 단계(S130)를 순차 적으로 3 회 반복하도록 한다(S140).
도 1에서, 제1 증착 단계(S110)는 갭의 일부를 채우는 제1 HDP 산화막을 증착하는 단계이고, 식각 단계(S120)는 NF3 가스를 이용하여 제1 HDP 산화막의 일부를 식각함으로써 후속 공정의 제2 HDP 산화막의 갭필이 용이한 형상을 갖도록 식각하는 단계이며, 제2 증착 단계(S130)는 제1 HDP 산화막 상부에 제2 HDP 산화막을 증착하는 단계이다. 여기서, HDP 산화막이란 적은 열부담과 우수한 갭필 특성을 갖는 고밀도 플라즈마(High Density Plasma) 방식의 산화막이다.
자세히 살펴보면, 제1 HDP 산화막을 증착하기 위한 제1 증착 단계(S110)를 진행할 때, STI 갭필의 가스 유량은 실레인(SiH4)이 30~50 sccm이고 산소(O2)가 54~75 sccm이며, 바이어스 파워를 1000~1300 W로 변화시켜 D/S 값을 조절하여 STI 갭필을 한다. 증착하는 동안 챔버의 진공은 3 mTorr를 유지하고, 갭필링 중에 실리콘(Si) 기판의 온도는 약 700 ℃이다. 또한, 스퍼터링/증착 비율(즉, SD 값)은 0.1~0.14이다.
제2 HDP 산화막의 갭필이 용이한 형상을 갖도록 식각하기 위한 식각 단계(S120)를 진행할 때 식각 시간은 22~30 초이며, RF 주파수는 2 MHz~ 13.56 MHz이다.
제1 HDP 산화막 상부에 제2 HDP 산화막을 증착하기 위한 제2 증착 단계(S130)를 진행할 때, STI 갭필의 가스 유량은 실레인(SiH4)이 30~50 sccm이고 산소(O2)가 54~75 sccm이며, 바이어스 파워를 1000~1300 W로 변화시켜 D/S 값을 조절 하여 STI 갭필을 한다. 증착하는 동안 챔버의 진공은 3 mTorr를 유지하고, 갭필링 중에 실리콘(Si) 기판의 온도는 약 700 ℃이다. 또한, 스퍼터링/증착 비율(즉, SD 값)은 0.1~0.14이다.
표 1은 공정 파라미터에 따른 스플릿 조건을 나타낸다.
Figure 112006063732797-pat00001
도 2는 공정 파라미터 및 스플릿 조건에 따른 갭필 능력을 나타낸 도면이다.
SD 값이 0.1~0.14에서 갭필 능력이 가장 우수하고 SiH4/O2 비율이 낮을수록 갭필 능력이 향상되며, 척 위치(Chuck Position)가 증가함에 따라 갭필 능력이 향상되는 것을 보여준다.
도 3은 식각 시간에 따른 갭필 능력을 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 1st 단계에서 SiH4: 64 sccm/O2: 40 sccm, HF: 4.5 kW, LF: 1.05 kW의 조건에서 96 초 동안 증착을 실시하고, 2nd 단계에서 O2: 10 sccm과 NF3: 100 sccm, HF: 2.5 kW, LF: 1.1 kW를 사용하여 22 초, 30 초를 각각 스플릿한 조건의 X-SEM 사진이다. 3rd 단계의 갭핑 조건은 1st 단계의 공정 조건을 그대로 사용하여 실시한다. 도 3에서 확인할 수 있듯이 고립 공간(Isolated Space)의 경우 식각 시간에 상관없이 두 조건 모두 보이드없는 갭필이 가능하였지만, 밀집 공간(Dense Space)의 경우는 22 초 동안 식각한 조건이 보이드의 위치가 STI 바닥으로부터 더 가까운 것을 볼 수 있다. 이것은 DED 조건에서 식각 시간에 따른 식각량이 갭필에 큰 영향을 미치는 것으로 판단되고, 적절한 식각 시간의 선정이 보이드없는 갭필을 하는 데 중요한 인자로 작용하는 것으로 판단할 수 있다.
도 4는 RF 주파수에 따른 식각 비율을 나타낸 그래프이다.
도 4에 도시된 바와 같이, RF 주파수에 따른 식각은 2 MHz일 때 보다 13.56 MHz일 때 초기값이 균일하게 안정적인 것을 볼 수 있고, 식각 단계에서 웨이퍼 전역에 균일한 식각을 위해서 13.56 MHz의 RF 주파수가 2 MHz보다 적합하다고 할 수 있다.
도 5는 RF 주파수에 따른 갭필 능력을 비교한 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 2 MHz일 때 보다 13.56 MHz일 때 보이드가 STI 위 쪽에 분포하는 것을 볼 수 있다. 즉, RF 주파수가 높을수록 NF3 가스 플라즈마에 의해 분해되는 효율이 높아 식각에 더 크게 기여하여 갭필에 유리한 것으로 판단된다.
도 6은 DED 단계 수에 따른 갭필 능력을 비교한 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, DED 단계 수가 9 회인 조건이 5 회인 조건보다 갭필에 유리한 것을 알 수 있다. 즉, STI 깊이가 깊어질수록 보이드가 없는 갭필을 위해선 증착에 따른 식각 단계 수도 더욱 증가하여야 한다. 식각 단계의 횟수가 적으면 증착 중에 생긴 오버행을 효과적으로 제거하지 못하여 보이드가 생기는 원인으로 작용하기 때문이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 식각 시간, 식각 횟수 및 RF 주파수 등의 최적화된 증착 조건을 제공함으로써, 반도체 소자의 갭필 시 보이드가 없도록 하여 재공정이 발생하지 않도록 하는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 반도체 소자의 갭필 방법에 있어서,
    (a) 갭의 일부를 채우는 제1 고밀도 플라즈마 산화막을 증착하는 단계;
    (b) NF3 가스를 이용하여 상기 제1 고밀도 플라즈마 산화막의 일부를 식각하여 후속 공정의 제2 고밀도 플라즈마 산화막의 갭필이 용이한 형상을 갖도록 하는 단계; 및
    (c) 상기 제1 고밀도 플라즈마 산화막의 상부에 상기 제2 고밀도 플라즈마 산화막을 증착하는 단계를 포함하되, 상기 단계 (a), 상기 단계 (b) 및 상기 단계 (c)를 순차적으로 3 회 반복하는 반도체 소자의 갭필 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 단계 (a) 및 상기 단계 (c)를 실시할 때 실레인(SiH4)의 유랑은 30~50 sccm이고 산소(O2)의 유량은 54~75 sccm이며, 바이어스 파워는 1000~1300 W이고, 스퍼터링/증착 비율은 0.1~0.14인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 갭필 방법.
  3. 제1항에서,
    상기 단계 (b)를 실시할 때 식각 시간은 22~30 초이며, RF 주파수는 2 MHz~ 13.56 MHz인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 갭필 방법.
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