KR19990001435A - 반도체 장치의 비어 콘택 형성방법 - Google Patents

Abstract

반도체 장치의 비어 콘택 형성방법이 개시되어 있다. 제1 금속 라인이 형성되어 있는 반도체 기판의 상부에 제1 층간절연막을 형성한다. 상기 제1 층간절연막의 상부에 스핀-온 글래스(SOG)막을 형성하고 이를 에치백한다. 상기 에치백된 SOG막의 상부에 플라즈마 산화막을 증착하여 제2 층간절연막을 형성한다. 상기 제2 층간절연막에 산소(O₂) 플라즈마 처리를 실시하여 그 표면을 안정화시킨다. 상기 산소 플라즈마 처리에 의해 상기 플라즈마 산화막의 표면에서의 습식 식각율이 조절되어, 비어 콘택을 형성하기 위한 사진식각 공정시 포토레지스트의 리프팅을 억제하여 안정된 비어 콘택 프로파일을 얻을 수 있다.

Description

반도체 장치의 비어 콘택 형성방법

본 발명은 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마 처리(plasma treatment)를 이용하여 비어 콘택(via contact)의 프로파일을 개선할 수 있는 반도체 장치의 비어 콘택 형성방법에 관한 것이다.

반도체 장치에 있어서 다층 금속화 공정이 실용화됨에 따라, 금속 라인들 간을 절연시키기 위한 층간절연막(intermetal dielectric film; IMD)에 대한 중요성이 강조되고 있다. 상기 층간절연막은 금속 라인 간의 기생 캐피시턴스를 감소시키기 위하여 저유전 물질로 형성되여야 하고, 우수한 단차 도포성(step coverage)을 가져야 한다.

이제까지 상기 층간절연막으로 가장 널리 사용되어 왔던 물질은 불순물이 도우프된 실란계(silane-based) 화학 기상 증착(chemical vapor deposition; 이하 CVD라 한다) SiO₂막이다. 그러나, 매우 밀접한 간격을 둔 단차 위에 상기 CVD SiO₂막을 증착하게 되면, 단차의 상부에서의 막 두께가 단차의 저부 및 측벽에서의 막 두께를 초과하고 또한 상기 단차의 베이스(base)에서 막의 각도가 요각으로 형성되어 그 부위에서의 식각을 어렵게 한다. 상기한 첨점(cusping) 경향으로 인하여, 상기 CVD SiO₂막은 약 0.5 이상의 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 갭(gap)을 매립하지 못하게 되어 금속 라인들 사이에 보이드(void)가 형성되는 문제가 발생한다.

이에 따라, 높은 종횡비를 갖는 갭을 매립하기 위하여 플라즈마-증대 CVD(이하 PECVD라 한다) 방법으로 증착되는 PECVD-SiH₄막이나 PE-TEOS(plasma-enhanced tetra-ethyl-ortho-silicate glass)막이 층간절연막으로 사용되고 있다. 이외에도 PE-Si₃N₄막, 바이어스-스퍼터된 SiO₂막, 폴리이미드(polyimide) 및 스핀-온 글래스(spin-on glass; 이하 SOG라 한다)막 등이 층간절연막으로 사용되고 있다.

한편, 반도체 장치의 디자인 룰이 감소됨에 따라 포토리소그래피 공정의 마진 (예컨대, 초점 심도의 마진)을 확보하고 배선 길이를 최소화하기 위하여, 상기 층간절연막의 충분한 평탄화가 요구되고 있다. 층간절연막의 평탄화를 달성하기 위한 방법으로 CVD SiO₂막의 증착 및 에치백(etch back), BPSG(borophosphosilicate glass)막의 리플로우(reflow), 및 SOG막을 이용한 평탄화 공정 등이 사용되고 있다.

이 중에서, SOG막은 액상으로 적용되는 층간절연막으로서, 우수한 평탄화 능력을 가지며, 보이드 없이 금속 라인들 간의 좁은 갭을 매립할 수 있다. 상기 SOG막을 다층 금속화 공정에 적용함에 있어서 가장 간단한 방법은, SOG막을 단독으로 사용하는 것이다. 그러나, 상기 SOG막을 층간절연막에 요구되는 두께로 형성할 때 크랙(crack)이 발생하는 문제가 있으므로, CVD 절연막으로 이루어진 제1 층간절연막의 상부에 SOG막을 형성하고 그 위에 제2 CVD 절연막 (제2 층간절연막)을 형성하는 샌드위치형 구조가 가장 많이 사용되고 있다. 상기 샌드위치형 구조는 에치백 SOG 공정이나 비에치백 SOG 공정으로 형성될 수 있는데, 비에치백 SOG 공정에서는 제2 금속층을 증착하는 동안에 SOG막에서 가스 제거(outgassing)가 일어나기 때문에 제1 금속층과 제2 금속층 사이의 저항이 상당히 높아지거나 상기 제1 금속층과 제2 금속층이 전기적으로 오픈되는 포이즌-비어(poisoned via) 문제가 발생할 수 있다.

따라서, 최근에는 금속 라인들 간의 갭 매립 특성을 개선하고 글로벌(global) 평탄화를 달성하기 위하여 PE-TEOS막 또는 PE-SiH₄막과 같은 플라즈마 산화막과 에치백 SOG 공정을 혼용하는 추세이다.

도 1은 상술한 바와 같이 플라즈마 산화막과 에치백 SOG 공정을 혼용하여 반도체 장치의 비어 콘택 형성방법을 설명하기 위한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 제1 금속 라인(12)이 형성된 반도체 기판(10)의 상부에 PE-TEOS막 또는 PE-SiH₄막을 증착하여 제1 층간절연막(14)을 형성한다. 상기 제1 층간절연막(14)은 보이드의 형성없이 제1 금속 라인(12)들 간의 좁은 갭이 매립되도록 한다.

이어서, 상기 제1 층간절연막(14)의 상부에 SOG막(16)을 스핀 도포함으로써, 제1 층간절연막(14)에 의해 충분히 매립되지 않은 중간폭의 갭을 매립한다.

다음에, 상기 SOG막(16)을 에치백한 후 그 위에 PE-TEOS막 또는 PE-SiH₄막을 증착하여 제2 층간절연막(18)을 형성함으로써, 샌드위치형 구조를 완성한다.

이어서, 사진 공정을 통해 상기 제2 층간절연막(18)의 상부에 비어 콘택이 형성될 부위를 노출시키는 포토레지스트 패턴(20)을 형성한다. 상기 포토레지스트 패턴(20)을 마스크로 하여 상기 제2 층간절연막(18)을 습식 식각한 후 건식 식각한다. 계속해서, 상기 SOG막(16) 및 제1 층간절연막(14)을 건식 식각하여 비어 콘택(도시되지 않음)을 형성한다. 여기서, 상기 비어 콘택을 형성할 때 상기 제2 층간절연막(18)을 습식 식각하는 이유는, 비어 콘택의 종횡비를 낮추고 후속 공정에서 알루미늄(Al)의 매립을 용이하게 하기 위함이다.

그러나, 상술한 종래의 비어 콘택 형성방법에 의하면, 제2 층간절연막으로 PE-SiH₄막을 사용하는 경우에는 안정된 비어 프로파일을 얻을 수 있지만, PE-TEOS막을 사용하는 경우에는 포토레지스트의 리프팅(lifting) 또는 스웰링(swelling)현상이 종종 발생한다.

즉, 플라즈마 산화막과 SOG 에치백 공정을 혼용하여 층간절연막을 형성하는 경우에 있어서, 비어 콘택을 형성하기 위한 습식 식각 공정시 비어 콘택의 습식 경계(wet boundary)가 플라즈마 산화막의 식각율(etch rate)에 의존한다. 또한, 상기 습식 경계는 플라즈마 산화막막의 표면 안정성에도 민감하게 의존한다.

상기 PE-SiH₄막과 PE-TEOS막을 비교해보면, PE-SiH₄막에 비하여 PE-TEOS막의 표면이 훨씬 불안정하다. 특히, 상기 PE-TEOS막이 PECVD 방법으로 증착될 때, 증착이 종료되는 시점에서 막 표면이 주위의 환경에 민감하게 반응하여 후속하는 습식 식각 공정시 습식 경계가 불안정해진다 (도 1의 점선표시부 참조). 이것이 포토레지스트의 리프팅 현상이 발생하는 원인이 되기도 한다 (도 1의 A 부분 참조).

따라서, 본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 플라즈마 처리를 이용하여 비어 콘택의 프로파일을 개선할 수 있는 반도체 장치의 비어 콘택 형성방법을 제공하는데 있다.

도 1은 종래 방법에 의한 반도체 장치의 비어 콘택 형성방법을 설명하기 위한 단면도이다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 의한 반도체 장치의 비어 콘택 형성방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 3은 도 2c의 B 부분을 확대 도시한 단면도이다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100 ... 반도체 기판102 ... 제1 금속 라인

104 ... 제1 층간절연막106 ... SOG막

108 ... 제2 층간절연막110 ... 포토레지스트 패턴

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 반도체 장치의 비어 콘택 형성방법은,

제1 금속 라인이 형성되어 있는 반도체 기판의 상부에 제1 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 제1 층간절연막의 상부에 SOG막을 형성하고 이를 에치백하는 단계; 상기 에치백된 SOG막의 상부에 플라즈마 산화막을 증착하여 제2 층간절연막을 형성하는 단계; 및 상기 제2 층간절연막에 산소(O₂) 플라즈마 처리를 실시하여 그 표면을 안정화시키는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 제1 층간절연막은 PE-SiH₄막 또는 PE-TEOS막 중의 어느 하나로 형성한다. 또한, 상기 제2 층간절연막은 PE-TEOS막으로 형성한다.

상기 산소 플라즈마 처리는 무선 주파수(radio frequency; RF) 전력에 따라 상기 플라즈마 산화막 표면의 습식 식각율을 조절한다. 또한, 상기 산소 플라즈마 처리는 상기 플라즈마 산화막을 증착한 후 인-시튜(in-situ)로 산소(O₂) 또는 산화질소(N₂O) 분위기에서 실시하는 것이 바람직하다.

상기 제2 층간절연막에 산소 플라즈마 처리를 실시하는 단계 후, 그 표면이 안정화된 제2 층간절연막의 상부에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계, 상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 상기 제2 층간절연막, SOG막 및 제1 층간절연막을 식각하여 상기 제1 금속 라인을 노출시키는 비아 콘택을 형성하는 단계; 상기 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계; 및 상기 결과물의 상부에 제2 금속 라인을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 에치백 SOG막의 상부 및 하부에 PE-TEOS막과 같은 플라즈마 산화막으로 이루어진 제1 및 제2 층간절연막이 형성되는 샌드위치형 구조에 있어서, PECVD 방법에 의해 PE-TEOS막을 증착하여 제2 층간절연막을 형성한 후 인-시튜로 산소 플라즈마 처리를 실시한다. 상기 산소 플라즈마 처리에 의해 상기 제2 층간절연막으로 사용되는 PE-TEOS막의 표면이 안정화된다.

따라서, 상기 산소 플라즈마 처리에 의해 상기 PE-TEOS막의 표면에서의 습식 식각율을 조절함으로써, 비어 콘택을 형성하기 위한 사진식각 공정시 포토레지스트의 리프팅을 억제하여 안정된 비어 콘택 프로파일을 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하고자 한다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 의한 반도체 장치의 비어 콘택 형성방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 2a는 제1 층간절연막(104) 및 SOG막(106)을 형성하는 단계를 도시한다. 하나 이상의 배선을 갖는 게이트 전극 및 비트 라인(도시되지 않음)이 형성되어 있는 반도체 기판(100)의 상부에 금속층을 증착한 후 이를 사진식각 공정으로 패터닝함으로써 제1 금속 라인(102)을 형성한다.

이어서, 상기 제1 금속 라인(102)의 상부에 PECVD 방법으로 PE-SiH₄막 또는 PE-TEOS막을 증착하여 제1 층간절연막(104)을 형성한다. 예컨대, 상기 PE-TEOS막으로 제 층간절연막(104)을 형성할 경우, 상기 PE-TEOS막은 유기 실리콘 화합물로부터 증착되는데 원자들이 높은 표면 이동도를 갖기 때문에 CVD SiO₂막을 층간절연막으로 사용할 때 발생하는 첨점 현상이 감소된다. 따라서, 상기 제1 층간절연막(104)은 보이드의 형성없이 제1 금속 라인(102)들 간의 좁은 갭이 매립되도록 한다.

다음에, 상기 제1 층간절연막(104)의 상부에 SOG막(106)을 스핀 도포함으로써, 상기 제1 층간절연막(104)에 의해 충분히 매립되지 않은 중간폭의 갭을 매립한다. 상기 SOG막(106)은 액상으로 적용되는 층간절연막으로서, 우수한 평탄화 능력을 가지며 보이드 없이 금속 라인들 간의 좁은 갭을 매립할 수 있다.

도 2b는 제2 층간절연막(108)을 형성하는 단계를 도시한다. 상기 제1 층간절연막(104)의 표면이 노출될 때까지 상기 SOG막(106)을 에치백한다. 이어서, 상기 에치백된 SOG막(106)의 상부에 PECVD 방법으로 PE-TEOS막을 증착하여 제2 층간절연막(108)을 4000∼5000Å 정도의 두께로 형성함으로써, 샌드위치형 구조를 완성한다.

이때, 상기 제2 PE-TEOS막(108)은 400℃의 온도, 400W의 RF 전력, 200mil의 전극 간격, 그리고 900scc의 TEOS와 400scc의 산소(O₂)를 함유하는 가스 조건 하에서 PECVD 방법으로 증착된다.

도 2c는 산소(O₂) 플라즈마 처리를 실시하는 단계를 도시한다. 전술한 바와 같이 PE-TEOS막을 증착하여 제2 층간절연막(108)을 형성한 후, 상기 PE-TEOS막을 증착한 공정 조건 중에서 온도, 전극 간격, 및 산소 가스의 유입량을 동일하게 하여 산소 플라즈마 처리를 실시한다. 즉, 상기 제2 PE-TEOS막(108)을 증착한 PECVD 반응기 내에서 TEOS 가스를 유입시키지 않고 RF 전력은 후속하는 비어 콘택 식각 공정에서 원하는 습식 경계 크기에 따라 변화시키면서 나머지 조건들을 동일하게 유지하여 산소 플라즈마 처리를 실시한다. 바람직하게는, 상기 산소 플라즈마 처리는 산소(O₂) 분위기 또는 산화질소(N₂O) 분위기에서 실시한다.

이어서, 상기 산소 플라즈마 처리에 의해 그 표면이 안정화된 상기 제2 층간절연막(18)의 상부에 포토레지스트를 도포한 후, 이를 노광 및 현상하여 비어 콘택이 형성될 부위를 노출시키는 포토레지스트 패턴(110)을 형성한다.

상기 포토레지스트 패턴(110)을 마스크로 하여 상기 제2 층간절연막(108)을 습식 식각한 후 건식 식각한다. 계속해서, 상기 SOG막(106) 및 제1 층간절연막(104)을 식각하여 비어 콘택(도시되지 않음)을 형성한다. 여기서, 상기 비어 콘택을 형성할 때 상기 제2 층간절연막(180)을 습식 식각하는 이유는, 비어 콘택의 종횡비를 낮추고 후속 공정에서 제2 금속 라인으로 형성될 알루미늄(Al)의 매립을 용이하게 하기 위함이다.

도 3은 도 2c의 B 부분을 확대 도시한 단면도이다.

도 3을 참조하면, 전술한 바와 같이 제2 PE-TEOS막(108)의 표면에 산소 플라즈마 처리를 할 경우 RF 전력에 따라 상기 제2 PE-TEOS막(108)의 표면이 안정화된다. 즉, RF 전력을 변화시켜 상기 제2 PE-TEOS막(108)의 표면에서의 습식 식각율을 그 벌크(bulk)에서의 습식 식각율과 동일하게 만들거나 다르게 (높거나 낮게) 만든다. 이에 따라, 비어 콘택을 형성하기 위한 식각 공정시 상기 제2 PE-TEOS막(108)의 습식 경계 (점선표시부 참조)의 크기를 조절할 수 있다.

본 발명자는 산소 플라즈마 처리를 실시하지 않은 경우와 산소 플라즈마 처리를 실시한 경우의 비어 콘택 프로파일을 주사형 전자 현미경(scanning electron microscope; SEM) 사진으로 비교하였으며, 그 결과는 다음과 같다.

첫 번째로, 900scc의 TEOS 유량과 400scc의 O₂유량 및 520W의 RF 전력 하에서 제2 PE-TEOS막을 증착한 후 산소 플라즈마 처리를 실시하지 않은 경우에서는, 상기 제2 PE-TEOS막의 표면에서의 습식 식각율이 벌크에서의 습식 식각율보다 높기 때문에 비어 콘택 형성을 위한 포토레지스트의 리프팅이 발생하였다. 따라서, 불량한 비어 습식 프로파일이 얻어졌다.

두 번째로, 제2 PE-TEOS막을 증착한 후 320W의 RF 전력에서 10초 동안 산소 플라즈마 처리를 하였을 때는 양호한 비어 습식 프로파일을 얻을 수 있었다.

세 번째로, 제2 PE-TEOS막을 증착한 후 420W의 RF 전력에서 10초 동안 산소 플라즈마 처리를 했을 때는, 상기 두 번째의 경우에서 얻어진 비어 습식 프로파일과 비교할 때 습식 경계의 크기가 작아졌다. 따라서, 산소 플라즈마 처리시 RF 전력을 변화시켜 비어 콘택의 습식 경계 크기를 조절할 수 있음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 에치백 SOG막의 상부 및 하부에 PE-TEOS막과 같은 플라즈마 산화막으로 이루어진 제1 및 제2 층간절연막이 형성되는 샌드위치형 구조에 있어서, PECVD 방법에 의해 PE-TEOS막을 증착하여 제2 층간절연막을 형성한 후 인-시튜로 산소 플라즈마 처리를 실시한다. 상기 산소 플라즈마 처리에 의해 상기 제2 층간절연막으로 사용되는 PE-TEOS막의 표면이 안정화된다.

따라서, 상기 산소 플라즈마 처리에 의해 상기 PE-TEOS막의 표면에서의 습식 식각율을 조절함으로써, 비어 콘택을 형성하기 위한 사진식각 공정시 포토레지스트의 리프팅을 억제하여 안정된 비어 콘택 프로파일을 얻을 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할수 있을 것이다.

Claims (6)

1. 제1 금속 라인이 형성되어 있는 반도체 기판의 상부에 제1 층간절연막을 형성하는 단계;

   상기 제1 층간절연막의 상부에 스핀-온 글래스(SOG)막을 형성하고 이를 에치백하는 단계;

   상기 에치백된 SOG막의 상부에 플라즈마 산화막을 증착하여 제2 층간절연막을 형성하는 단계; 및

   상기 제2 층간절연막에 산소(O₂) 플라즈마 처리를 실시하여 그 표면을 안정화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 비어 콘택 형성방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 층간절연막은 플라즈마-증대 화학 기상 증착(PECVD) 방법으로 증착되는 PE-SiH₄막 또는 PE-TEOS막 중의 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 비어 콘택 형성방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 제2 층간절연막은 플라즈마-증대 화학 기상 증착(PECVD) 방법으로 증착되는 PE-TEOS막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 비어 콘택 형성방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 산소 플라즈마 처리는 무선 주파수(RF) 전력에 따라 상기 플라즈마 산화막의 표면에서의 습식 식각율을 조절하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 비어 콘택 형성방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 산소 플라즈마 처리는 상기 플라즈마 산화막을 증착한 후 인-시튜로 산소(O₂) 또는 산화질소(N₂O) 분위기에서 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 비어 콘택 형성 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 제2 층간절연막에 산소 플라즈마 처리를 실시하는 단계 후,

   그 표면이 안정화된 제2 층간절연막의 상부에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;

   상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 상기 제2 층간절연막, SOG막 및 제1 층간절연막을 식각하여 상기 제1 금속 라인을 노출시키는 비아 콘택을 형성하는 단계;

   상기 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계; 및

   상기 결과물의 상부에 제2 금속 라인을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 비어 콘택 형성방법.