KR100876877B1 - 반도체소자의 제조방법 - Google Patents

반도체소자의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체소자의 제조방법을 개시한다. 개시된 본 발명에 따른 반도체소자의 제조방법은, 반도체기판에 소자분리막을 형성하는 단계; 상기 소자분리막을 포함한 반도체기판 상에 제1폴리실리콘층을 형성하는 단계; 상기 제1폴리실리콘층 상에 레지스트막을 형성하는 단계; 상기 레지스트막 상에 제2폴리실리콘층을 형성하는 단계; 및 상기 제2폴리실리콘층, 레지스트막 및 제1폴리실리콘층 일부를 CMP 처리하여 평탄화시키는 단계;를 포함한다. 본 발명에 따르면, 폴리실리콘층을 두 번에 걸쳐 증착하므로 인해 토폴로지를 최소화시킬 수 있어서 디싱 현상을 방지하고 입자발생을 억제할 수 있는 것이다.

Description

반도체소자의 제조방법{Method for fabricating semiconductor device}
도 1a 내지 도 1c는 종래기술에 따른 반도체소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도.
도 2a 및 도 2b는 종래기술에 따른 반도체소자의 제조방법에 있어서, 디싱에 의한 폴리실리콘 및 필드산화막의 공격 현상을 보여 주기 위한 단면도.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 반도체소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
11 : 반도체기판 13 : 소자분리막
15 : 제1폴리실리콘층 17 : 레지스트막
19 : 제2폴리실리콘층
본 발명은 반도체소자의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체소자 제조시의 리소그라피공정중 플로팅 게이트 형성에 적용하는 반도체소자의 제조방법에 관한 것이다.
0.18 μm 기술의 플레시소자중 자기정렬 플로팅 게이트를 사용하는 디바이스는 폴리1 마스크 단계를 진행하지 않고 폴리 CMP에 의해 폴리 1 즉, 플로팅 게이트를 형성하는데 폴리 CMP는 산화막 CMP보다 반응속도가 빨라 CMP 공정시간을 산화막보다 짧게 해야 한다.
따라서, CMP 공정시의 시간 제어가 어렵고, 공정이상 발생으로 시간제어가 조금만 잘못되어도 평탄화되어야 하는 부분이 디싱(dishing)에 의해 공격(attack)받게 되는 현상이 발생한다.
또한, 폴리 CMP에 따른 입자(paticle)가 발생하는데, 특히, 토폴로지(topology)가 크게 차이 나는 부분, 즉, 주변영역(peri region)의 트랜지스터나 정렬키 부분에서 심하게 발생할 수 있다.
그러나, 현재 상태에서 폴리 입자를 세정하는 레시피에 대한 개발이 미진한 상태이기 때문에 디바이스 개발에 큰 결함 요인으로 작용한다.
이러한 관점에서, 종래기술에 따른 반도체소자의 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1a 내지 도 1c는 종래기술에 따른 반도체소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.
종래기술에 따른 반도체소자의 제조방법은, 도 1a에 도시된 바와같이, 실리콘기판(1)에 활성영역과 소자분리영역을 한정하는 소자분리막(3)을 형성한다. 이때, 상기 소자분리막(3)을 형성하는 공정에 대해서는 생략하기로 한다.
그다음, 도 1b에 도시된 바와같이, 상기 소자분리막(3)을 포함한 실리콘기판(1)상에 폴리실리콘층(5)을 약 1600 ∼ 1800 Å 두께로 증착한다.
이어서, 도 1c에 도시된 바와같이, 상기 폴리실리콘층(5)을 CMP공정에 의해 평탄화시킨다.
이렇게 CMP공정을 거치면, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와같이, 소자분리막(3)부분에 공격(attack)이나 디싱현상 등이 나타난다.
위와 같은 현상을 나타내는 근본적인 이유는 폴리실리콘층의 CMP는 일반적인 산화막의 CMP와는 달리 CMP 속도가 상당히 빨라서 진행시간이 짧기 때문이며, 아주 잘 짜여진 레시피를 가지고 진행을 하더라도 공정이상 발생이나 장비별 변화가 있는 경우에 발생하고, 또한, 미세한 변화는 모든 공정에 존재하기 때문에 정해진 시간에서 약간만 지나도 위와 같은 현상이 발생한다.
또한, 도 2a 및 도 2b에서와 같이, 소자분리영역이 공격을 받음을 알 수 있는데, 심하게 공격을 받게 되면 활성영역과 활성영역사이의 절연체로서 역할을 할 수 없기 때문에 반도체 칩으로써 역할을 할 수 없는 심각한 일이 발생한다.
그리고, 폴리실리콘층의 디싱 발생시에 떨어져 나온 입자가 소자분리영역으로 이동되어 차후 세정단계에서도 제거되지 않고 남아 있으면 전류 또는 전압을 가했을 때 절연체가 아닌 도체로서의 역할을 하기 때문에 이는 칩으로서 생명을 잃어 버리는 큰 문제점을 야기한다.
이에 본 발명은 상기 종래기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 폴리실리콘을 두 번에 걸쳐 증착하므로 인해 토폴로지를 최소화시킬 수 있 어 디싱현상을 방지하고 입자발생을 억제할 수 있는 반도체소자의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체소자의 제조방법은, 반도체기판에 소자분리막을 형성하는 단계; 상기 소자분리막을 포함한 반도체기판 상에 제1폴리실리콘층을 형성하는 단계; 상기 제1폴리실리콘층 상에 레지스트막을 형성하는 단계; 상기 레지스트막 상에 제2폴리실리콘층을 형성하는 단계; 및 상기 제2폴리실리콘층, 레지스트막 및 제1폴리실리콘층 일부를 CMP 처리하여 평탄화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로한다.
(실시예)
이하, 본 발명에 따른 반도체소자의 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 반도체소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.
본 발명에 따른 반도체소자의 제조방법은, 도 3a에 도시된 바와같이, 실리콘기판(11)에 활성영역과 소자분리영역을 한정하는 소자분리막(13)을 형성한다. 이때, 상기 소자분리막(13)을 형성하는 공정에 대해서는 생략하기로 한다.
그다음, 상기 소자분리막(13)을 포함한 실리콘기판(11)상에 제1폴리실리콘층(15)을 유효 소자분리막 두께이상의 두께, 즉 약 1000 Å 정도까지 증착한다.
이어서, 도 3b에 도시된 바와같이, 상기 제1폴리실리콘층(15)상에 약 1000Å∼ 3000Å 정도로 레지스트막(17)를 형성한다. 상기 레지스트막(17)은 화학증폭형 레지스트, 용해억제형 레지스트 및 주쇄절단형 레지스트 중 어느 하나를 사용하여 형성한다. 또한, 상기 레지스트막(17)은 플라나 타입의 포지티브 레지스트와 네거티브 레지스트 중 어느 하나를 사용하여 형성할 수 있다.
그리고, 상기 레지스트막(17)은 레지스트를 도포한 후, 경화(baking)시켜 형성하는데, 경화시키는 방식으로는 핫플레이트 방식, 오븐 방식, 진공오븐 방식 중 어느 하나를 선택한다. 이때, 상기 경화시의 온도는 Tg 이상의 온도, 예를 들어, 포지티브 레지스트의 경우에는 약 130℃, 네거티브 레지스트의 경우에는 약 150℃로 한다.
여기서, 상기 오븐 방식을 사용하는 경우, 오븐의 커버 재질로서는 열전도도가 낮은 납, 탄탈늄, 주석, 플래티늄, 바라륨 및 파라디움 중 어느 하나를 선택하여 사용한다.
한편, 상기 레지스트막(17) 대신에 열경화성 수지층 및 플라나 타입의 BARC(Bottom Anti-Reflective Coating)막을 사용할 수 있는데, 열경화성 수지층을 사용하는 경우에 있어서, 상기 열경화성 수지층을 형성하는 공정에 대해 설명하면 다음과 같다.
교차결합(crosslinking)이 열에 의해 일어날 수 있는 노보락 비닐 에스테르 형태(Novolac Vinylester Type)의 열경화성 수지를 용매에 녹여 코팅하여 평탄화를 이루게 한다.
이 노보락 비닐 에스테르 형태의 열경화성 수지는 I-라인 레지스트의 주성분인 노보락 성분과 유사하므로 도포되는 성질이 레지스트와 비슷하여 충분히 얇게 도포될 수 있고, 베이킹 처리를 하면 가교결합이 일어나 불용, 불용의 상태가 되어 고화되는 성질을 나타내고, 이 수지의 분자사슬은 가교결합으로 상호 연결되어 있고, 연마가공이 가능하며, 단단하고, 고온에 잘 견디는 성질도 가지고 있어서 폴리실리콘층 증착시의 온도인 500 ℃정도에서 충분히 물성을 잃지 않고 견딜 수 있는 장점이 있다. 이때, 상기 경화시킬 때 시간은 약 120초 ∼ 1 시간정도로 한정한다.
그다음, 도 3c에 도시된 바와같이, 상기 레지스트막(17) 상에 제2폴리실리콘층(19)을 약 700 Å 정도로 증착한다.
이어서, 도 3d에 도시된 바와같이, CMP공정을 진행하여 상기 제2폴리실리콘층과 레지스트막을 선택적으로 제거하여 평탄화시킨다.
이때, 이렇게 CMP 공정을 진행하면, 우선 토폴로지가 거의 없는 균일한 제2폴리실리콘층을 CMP 처리하게 되므로 레지스트막 상의 제2폴리실리콘층은 거의 균일하게 CMP 공정을 진행할 수 있게 된다.
그다음, 레지스트막 CMP용 슬러리를 이용하여 산화막 CMP를 진행해 주면, 소자분리막 부분의 산화막과 가교결합된 레지스트막 부분의 산화막 성분이 서로 다르므로, 이 두 물성의 선택비를 이용하여 CMP를 진행하는 경우, 단단한 물성이 먼저 연마(polishing)되기 때문에 소자분리막의 공격이나 디싱 현상을 최소화시키면서 CMP 공정이 가능하게 된다.
한편, 도면에는 도시하지 않았지만, 남아 있는 레지스트막은 세정공정을 통하여 완전히 제거시킬 수 있으므로, 도 3d에서와 같이, 완벽한 CMP 공정의 결과를 얻을 수 있다.
위에서와 같이, 기존의 한번에 약 1700Å정도의 폴리실리콘층 증착하던 것을 두 번에 걸쳐 증착하고, 중간에 토폴로지가 있더라도 코팅시에 플라나(planar)하게 도포되는 레지스트 또는 열경화성 수지의 도포 단계를 삽입하여 평탄화를 이룬 후 Tg(glass transition temperature) 이상의 온도에서 가열해 주면, 가교결합이 일어나 상기 레지스트 또는 열경화성 수지가 단단한 성질을 띄게 되며, 이후에 CMP를 해 주면 패턴 자체에 공격을 주지 않으며 토폴로지가 거의 없는 기판 결과물을 얻을 수 있다.
이후에 후속 리소그라피 공정을 진행하면 D.O.F (촛점심도, depth of focus) 마진을 월등히 향상시켜 패터닝에 많은 도움을 줄 수 있다.
한편, 본 발명에 사용되는 열경화성 수지의 종류와 제조방법에 대해 설명하면 다음과 같다.
열경화성 수지의 종류로는 1)페놀 수지, 2)불포화폴리에스테르 수지, 3)에폭시 수지, 4)프란 수지, 5)폴리이미드 수지, 6)비스말레이미드(Bismaleimide, BMI) 수지 등이 있다.
1) 페놀수지
페놀수지는 페놀과 포름알데히드사이의 화학반응에 의해 생성된 폴리머이다. 이 수지는 축합반응을 수반하며, 물이 부산물로 생성된다. 반응초기의 폴리머는 저분자량을 갖고 완전히 용해되는데, 이 단계를 A-단계, 축합반응이 진행됨에 따라 수지는 탄성과 열가소성을 가지고 부분적으로 용해되는 단계를 넘게 되는데, 이 단계를 B-단계라 부른다.
그후 수지는 완전히 가교가 이루어져 경화되는데 이를 C-단계라 부른다. 포름알데히드와 암모니아의 반응생성물인 헥사메틸렌테트라아민은 전형적인 경화제로서 이용된다. 산성촉매를 사용하면 노볼락(novolak)형 페놀 수지가 되고 알카리성 촉매를 사용하면 레졸(resol)형 페놀수지가 된다.
2) 불포화폴리에스테르 수지
폴리에스테르 수지는 성형시에 고압을 필요로 하지 않고 촉진제의 사용에의해 상온에서 성형할 수 있으므로 비교적 쉽게 만들 수 있다. 불포화 폴리에스터 수지는 미황색 투명한 점조체로서 이 액상수지에 촉매, 촉진제를 가해서 만든다. 연질, 경질, 내광성, 공기경화성, 자기소화성 등의 성질을 띄고 있다. 중합은 액상불포화 폴리에스터 수지 및 스티렌에 1% 정도의 중합촉매를 가한 다음 형에 넣고 가열하던가 또는 저온 중합촉진제를 함께 넣은 다음 상온에서 형성한다.
3) 에폭시 수지
에폭시 수지는 두 개의 탄소와 한 개의 산소로 이루어진 3원환인 에폭시기를 가지고 있는 구조이다. 이 수지는 경화에 있어 반응수축이 매우 작고 또한 휘발물을 발생하지 않는다. 에폭시수지는 우수한 접착성과 강도, 가소성, 내마모성, 내수성, 내 약품성, 저장 안정성이 높고 낮은 수축성 등의 성질 등 대부분의 물성은 매우 우수하다. 종류에는 노보락형 비닐에스테르 타입(Novolac Vinylester type, 에폭시 아크릴레이트), 비닐에스테르타입(Vinylester type, 에폭시 아크릴레이트), 비스페놀 타입(Bisphenol type), 이소타입 등이 있다.
4) 프란 수지
푸란 수지는 푸르푸랄 수지, 푸르푸리릴알코올 수지 등 푸란고리를 함유한 합성수지의 총칭으로서 열경화성 수지로 푸르푸릴알코올을 적은 양의 산을 함유한 수용액으로 만들어 가열한 다음 수분을 제거하면 90%에 가까운 양의 제1차 수지를 얻는다. 액상이므로 곧바로 도포가 가능하다. 내약품성, 내열성, 내용제성, 내마모 성이 우수하다.
5) 폴리이미드 수지
폴리이미드는 질소와 두 개의 카르보닐기를 갖는 고리형 작용기로 이루어져 있다. PBI는 두 개의 질소를 포함한 5원환이며, 벤젠고리에 결합되어 있다. 이미드와 PBI 작용기는 평면구조로서 매우 견고하기 때문에 이들 작용기를 갖고 있는 고분자 물질은 강도가 높고 열에 안정하다. 방향족 작용기가 이미드에 결합되어 내열성과 강도를 더욱 향상시킨다.
6) 비스말레이미드(Bismaleimide, BMI) 수지
폴리이미드 수지의 부가중합 수지의 하나의 형태는 비스멜레이미드 유도체를 포함하는 반응으로 말레인산이 폴리에스테르 반응에서 스티렌과 가교되는 것과 마찬가지로 말레이미드기를 가지는 원료의 탄소-탄소 이중결합이 올레핀에 있는 탄소-탄소 이중결합과 반응하는 것과 방향족 디아민이 말레이미드의 탄소-탄소 이중결합에 첨가되는 미첼(Michael)반응이다. 두 경우 모두 올레핀 또는 디아민이 이미드 분자와 가교를 형성하여 가교 구조가 생기는 반응이다.
상기에서 설명한 바와같이, 본 발명에 따른 반도체소자의 제조방법에 의하면, 레지스트 또는 열경화성 수지의 도포 단계를 폴리증착 중간에 추가하여 평탄화를 이룬후 CMP 공정을 진행하므로, 디싱(dishing)이나 소자분리막(Fox) 공격으로 인한 패턴쓰러짐(pattern collapse)을 막을 수 있고, CMP 공정시 시간 제어도 용이하게 할 수 있다.
또한, 후속 리소그라피공정에서는 베어 웨이퍼(bare wafer)와 같이 평탄한 기판에 레지스트를 도포하고 노광을 진행하므로 DOF 마진이 상당히 개선되어 공정마진을 증가시켜 주므로 양산단계에 들어 가면 공정이상 발생시에 패턴공격 현상을 최소화시킬 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

Claims (12)

  1. 반도체기판에 소자분리막을 형성하는 단계;
    상기 소자분리막을 포함한 반도체기판 상에 제1폴리실리콘층을 형성하는 단계;
    상기 제1폴리실리콘층 상에 레지스트막을 형성하는 단계;
    상기 레지스트막 상에 제2폴리실리콘층을 형성하는 단계; 및
    상기 제2폴리실리콘층, 레지스트막 및 제1폴리실리콘층 일부를 CMP 처리하여 평탄화시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로하는 반도체소자의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1폴리실리콘층의 두께는 1000Å인 것을 특징으로하는 반도체소자의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 레지스트막은 화학증폭형 레지스트, 용해억제형 레지스트 및 주쇄절단형 레지스트 중 어느 하나를 사용하여 형성하는 것을 특징으로하는 반도체소자의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2폴리실리콘층의 두께는 700Å인 것을 특징으로하는 반도체소자의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 레지스트막은 플라나 타입의 포지티브 레지스트 또는 네거티브 레지스트를 사용하여 형성하는 것을 특징으로하는 반도체소자의 제조방법.
  6. 반도체기판에 소자분리막을 형성하는 단계;
    상기 소자분리막을 포함한 반도체기판 상에 제1폴리실리콘층을 형성하는 단계;
    상기 제1폴리실리콘층 상에 열경화성 수지층 및 플라나 타입의 BARC(Bottom Anti-Reflective Coating)막 중 어느 하나를 형성하는 단계;
    상기 열경화성 수지층 및 플라나 타입의 BARC막 중 어느 하나 상에 제2폴리실리콘층을 형성하는 단계; 및
    상기 제2폴리실리콘층, 열경화성 수지층 및 플라나 타입의 BARC막 중 어느 하나, 및 제1폴리실리콘층 일부를 CMP 처리하여 평탄화시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로하는 반도체소자의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 레지스트막의 두께는 1000Å ∼ 3000Å의 범위를 갖는 것을 특징으로하는 반도체소자의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 레지스트막을 형성하는 단계는, 레지스트의 도포 단계와 상기 도포된 레지스트를 경화(baking)시키는 단계를 포함하되, 상기 경화시키는 단계는 핫플레이트 방식, 오븐 방식 및 진공오븐 방식 중 어느 하나의 방식으로 수행하는 것을 특징으로하는 반도체소자의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 오븐 방식을 사용하는 경우, 오븐의 커버 재질로서 열전도도가 낮은 납, 탄탈늄, 주석, 플래티늄, 바라륨 및 파라디움 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로하는 반도체소자의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 경화시의 온도는 Tg 이상의 온도인 것을 특징으로하는 반도체소자의 제조방법.
  11. 제6항에 있어서, 상기 열경화성 수지층은, 페놀 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 에폭시 수지, 프란 수지, 폴리이미드 수지 및 비스말레이미드 수지 중 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로하는 반도체소자의 제조방법.
  12. 제6항에 있어서, 상기 열경화성 수지층을 형성하는 경우, 경화 처리시간을 120초 ∼ 1시간으로 하는 것을 특징으로하는 반도체소자의 제조방법.
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