KR19990004122A - 반도체장치의 콘택홀 형성방법 - Google Patents
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Abstract
반도체 장치의 콘택홀(contact hole) 형성 방법을 개시한다. 본 발명은, 반도체 기판 상에 유동성 산화막, 특히 수소 실세스퀴옥산(Hydrogen Silsesquioxane)막을 형성한다. 이후에, 산화 이질소(N2O) 가스, 암모니아(NH3) 가스, 산소(O2) 가스 및 그 혼합 가스와 같은 가스를 플라즈마 소오스(plasma source)로 이용하여 유동성 산화막을 플라즈마 처리(plasma treatment)한다. 다음에 플라즈마 처리된 유동성 산화막 상에 플라즈마 강화 TEOS(Plasma Enhance Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate)막 또는 플라즈마 강화 SiH4(Plasma enhance Silane)막을 이용하여 흡습 방지막을 형성한다. 다음에, 흡습 방지막 및 수소 실세스퀴옥산막을 순차적으로 패터닝하여 콘택홀을 가지는 흡습 방지막 패턴 및 수소 실세스퀴옥산 패턴을 형성한다.
Description
본 발명은 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 반도체 장치의 콘택홀 형성 방법에 관한 것이다.
반도체 장치의 고집적화에 따라 디자인 룰(design rule)이 감소하고 있다. 이에 따라, 반도체 장치에 요구되는 셀 커패시턴스(cell capacitance)를 얻기 위해서 셀 커패시터(cell capacitor)의 높이가 1㎛ 이상 높아지고 있다. 따라서 셀 영역과 주변 회로 영역간의 단차가 증가되어 리소그래피 해상도(lithography resolution)에 문제가 발생될 수 있다. 이에 따라, 보다 더 높은 평탄도를 구현할 수 있는 층간 절연(ILD;Inter-Layer Dielectric)막이 요구되고 있다. 현재는 BPSG(borophosphosilicate glass)막을 형성하고 플로우(flow)시키거나, O3-TEOS USG(TetraEthyl OrthoSilicate Undoped Silicate Glass)막을 형성하고 에치 백(etch back)하여 평탄화하는 방법으로 층간 절연막을 형성한다.
이때, 상기 BPSG막을 플로우시키기 위해서는 30분 정도의 공정 시간 동안 850℃ 정도의 높은 온도를 반도체 기판에 인가하는 것이 요구되며, 상기 O3-TEOS USG막을 이용하는 경우에는 그 형성 공정이 복잡하다. 또한, 상기 두 방법을 이용하여 256M급 이상 고집적화된 반도체 장치에 요구되는 양호한 평탄도를 얻기는 용이하지 않다. 또한 고집적화된 반도체 장치에서는 보다 좁은 접합(shallow junction)이 요구된다. 이에 따라, 보다 낮은 온도에서 우수한 평탄도를 얻을 수 있는 층간 절연막이 요구되고 있다. 더욱이, 보다 높은 셀 커패시턴스가 반도체 장치에 요구됨에 따라 산화 탄탈늄(TaO) 또는 BST((Ba,Sr)TiO3)와 같은 고유전 물질을 유전막으로 이용하는 셀 커패시터가 요구되고 있다. 상기 고유전 물질을 유전막으로 이용하는 데에는 낮은 온도의 공정이 요구된다. 이에 따라, 보다 낮은 온도에서 우수한 평탄도를 얻을 수 있는 층간 절연막이 요구되고 있다.
상기한 문제점을 해결하려는 방법의 하나로 SOG(Spin On Glass)막을 이용한 층간 절연막 형성 방법이 제안되고 있다. 상기 SOG막은 유기 SOG막과 무기 SOG막으로 대별된다. 상기 유기 SOG막은 낮은 온도에서 그 형성이 가능하지만 탄소 성분이 잔류할 수 있고, 600℃ 이상의 온도를 인가할 때 크렉(crack)과 같은 결함이 발생할 수 있다. 이에 따라 무기 SOG막 형태의 하나인 수소 실세스퀴옥산(Hydrogen SilSesQuioxane;(HSiO1.5)n; 이하 HSQ라 한다)막이 제안되고 있다. 상기 HSQ막은 유동성 산화막(Flowable Oxide Film)의 일종으로 스핀 코팅(spin coating) 방법으로 3000Å 내지 5000Å의 두께를 구현할 수 있다. 또한 특정 온도에서 자발 플로우(self-flow)를 일으키는 특성을 가지므로 상기 유기 SOG막이나 무기 SOG막에 비해서 더 양호한 평탄도를 얻을 수 있다. 또한 700℃이상의 높은 온도에서도 크렉과 같은 결함이 발생하지 않는 양호한 크렉 저항력을 가지고 있는 장점이 있다.
그러나, 상기 HSQ막은 습식 식각율이 큰 단점이 있다. 이에 따라 상기 HSQ막을 패터닝하여 콘택홀을 가지는 HSQ막 패턴을 형성한 후 상기 콘택홀을 습식 세정하는 공정에서, 콘택홀의 프로파일(profile)이 침해되는 불량이 발생할 수 있다. 특히, 상기 HSQ막 패턴과 상기 HSQ막 패턴의 흡습을 억제하기 위해서 상기 HSQ막 패턴 상에 형성되는 흡습 방지막 패턴과의 계면에서 심각한 침해가 발생할 수 있다. 즉, 상기 세정 단계에 이용되는 화학 용액이 상기 계면 사이를 타고 흘러들어 상기 계면 사이를 심각하게 침해하여 빈 공간을 형성하는 프로파일 불량을 일으킬 수 있다. 이러한 콘택홀의 프로파일 불량은 이후의 금속막으로 상기 콘택홀을 채우는 단계에서, 상기 금속막이 상기 침해에 의한 빈 공간을 채우지 못하는 채움 불량(filling defect)을 일으킬 수 있다. 상기한 금소막의 채움 불량은 단락(short)과 같은 반도체 장치의 전기적 불량을 유발할 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 유동성 산화막 패턴, 즉, HQS막 패턴과 같은 유동성 산화막 패턴의 높은 습식 식각율의 특성에 기인하여 발생하는 흡습 방지막 패턴과의 계면에서의 결함 등과 같은 콘택홀 프로파일 불량을 방지하여 양호한 프로파일(profile)의 콘택홀을 형성할 수 있는 콘택홀 형성 방법을 제공하는 데 있다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 콘택홀 형성 방법을 설명하기 위해서 도시한 단면도들이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 효과를 설명하기 위해서 도시한 전자 주사 현미경(SEM;Scanning Electron Microscope) 사진들이다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 반도체 기판 상에 수소 실세스퀴옥산(Hydrogen SilsesQuioxane)막을 이용한다. 상기 수소 실세스퀴옥산(Hydrogen SilsesQuioxane)막은 400℃ 내지 450℃의 온도 조건에서 큐어링되어 형성된다. 이후에, 상기 수소 실세스퀴옥산(Hydrogen SilsesQuioxane)막을 플라즈마 처리한다. 상기 플라즈마 처리는 산화 이질소(N2O) 가스, 암모니아(NH3) 가스, 산소(O2) 가스 및 그 혼합 가스로 이루어지는 일군의 가스 중에서 선택된 어느 하나의 가스를 플라즈마 소오스로 이용한다. 연이어, 상기 플라즈마 처리된 상기 수소 실세스퀴옥산(Hydrogen SilsesQuioxane)막 상에 흡습 방지막을 형성한다. 이때, 상기 흡습 방지막으로 상기 플라즈마 처리 단계와 인 시튜(in-situ)로 형성되는 플라즈마 강화 TEOS막 또는 플라즈마 강화 SiH4막을 이용한다. 이어서 500℃ 내지 800℃의 온도 조건에서 상기 흡습 방지막을 열처리한다. 다음에, 상기 흡습 방지막 및 상기 수소 실세스퀴옥산(Hydrogen SilsesQuioxane)막을 순차적으로 패터닝하여 콘택홀을 가지는 흡습 방지막 패턴 및 수소 실세스퀴옥산(Hydrogen SilsesQuioxane)막 패턴을 형성한다. 이후에 상기 흡습 방지막 패턴이 형성된 반도체 기판 상을 불산(HF) 및 순수를 이루어지는 화학 용액을 이용하여 습식 세정하는 단계를 더 수행할 수 있다. 또한, 추가로 상기 습식 세정된 반도체 기판 상을 전자 사이클로트론 공명(Electron Cyclotron Resonance) 장치를 이용하여 보다 더 세정할 수 있다.
본 발명에 따르면 수소 실세스퀴옥산막을 플라즈마 처리함으로써 상기 수소 실세스퀴옥산막 패턴과 상기 흡습 방지막 패턴의 계면에서 습식 세정에 의한 침해가 발생하는 것을 억제할 수 있어 콘택홀의 프로파일 불량이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 따라서 양호한 프로파일의 콘택홀을 형성할 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1내지 도 5는 본 발명의 실시예에 의한 콘택홀 형성 방법을 설명하기 위하여 도시한 단면도들이다.
도 1은 반도체 기판(100) 상에 HSQ막(300)을 형성하는 단계를 나타낸다.
구체적으로, 반도체 기판(100) 상에 게이트(gate), 비트 라인(bit line) 등과 같은 하부 구조(200)를 형성한다. 이후에 상기 하부 구조(200)를 뒤덮는 유동성 산화막, 예컨대 수소 실세스퀴옥산(HSQ)막(300)을 코팅(coating) 방법을 이용하여 도포한다. 이후에, 30분 내지 60분 동안 400℃ 내지 450℃ 범위의 온도 조건으로 상기 HSQ막(300)을 큐어링(curing)시킨다. 이와 같이 형성되는 HSQ막(300)은 1회 도포에 3000Å 내지 5000Å 정도의 두께를 얻을 수 있고, 또한 기존의 BPSG막보다 우수한 평탄도를 가질 수 있다.
도 2는 HSQ막(300)을 플라즈마 처리(plasma treatment)하는 단계를 나타낸다.
HSQ막(300)의 전면에 싱글 플라즈마(single plasma) 장치 또는 듀얼 플라즈마(dual plasma) 장치를 이용하여 플라즈마 처리(plasma treatment)를 행한다. 이때, 플라즈마 소오스(plasma source)로는 산화 이질소(N2O) 가스, 암모니아(NH3) 가스, 산소(O2) 가스 및 그 혼합 가스 등을 포함하는 가스를 이용한다. 또한, 100W 내지 1500W의 RF(Radio Frequency) 전력을 인가하여, 상기 플라즈마 소오스로부터 플라즈마를 발생시킨다. 이와 같이 발생된 플라즈마를 이용하여 상기 HSQ막(300)의 막질을 개질시킨다. 즉, 상기 플라즈마를 이용하여 상기 HSQ막(300) 형성시 발생한 크렉(crack) 및 결함 등을 제거하고 또한 HSQ막(300)의 막질을 치밀화한다. 이와 같이 하면, 이후에 형성되는 흡습 방지막과의 계면 특성이 개선된다.
도 3은 플라즈마 처리된 HSQ막(300) 상에 흡습 방지막(400)을 형성하는 단계를 나타낸다.
플라즈마 처리된 HSQ막(300) 상에 HSQ막(300)의 후속 흡습을 방지하기 위해서, 상기 플라즈마 처리하는 단계와 인 시튜(in-situ)로 대략 1000Å 정도의 두께로 흡습 방지막(400)을 형성한다. 이때, 상기 흡습 방지막(400)으로 TEOS(Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate) 가스를 플라즈마 소오스로 이용하여 형성되는 플라즈마 강화 TEOS(Plasma Enhance Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate)막을 이용한다. 또는 실란(SiH4) 가스를 플라즈마 소오스로 이용하여 형성되는 플라즈마 강화 SiH4(Plasma enhance Silane)막을 이용한다. 이러한 흡습 방지막(400)은 상기 플라즈마 처리된 HSQ막(300)을 차폐함으로써 상기 플라즈마 처리된 HSQ막(400)의 흡습을 방지한다.
이후에, 상기 흡습 방지막(400)을 산소(O2) 가스, 질소(N2) 가스 및 수증기(H2O)를 포함하여 이루어지는 가스 조건에서 열처리, 즉, 어닐링(annealing)시킨다. 이때, 상기 열처리는 500℃ 내지 800℃의 온도 범위에서 행해지며, 20분 내지 60분 동안 진행된다. 이와 같은 열처리를 수행함으로써 상기 흡습 방지막(400) 형성시 발생하는 표면 결함 및 스트레스(stress) 등을 제거한다.
도 4는 콘택홀(510, 530)을 형성하고, 세정하는 단계를 나타낸다.
구체적으로, 상기 흡습 방지막(400) 상에 포토레지스트 패턴(도시되지 않음)을 형성하고, 습식 식각 방법 또는 건식 식각 방법으로 상기 흡습 방지막(400) 및 HSQ막(300)의 일정 영역을 식각한다. 이와 같이 하여 상기 반도체 기판(100)의 표면 또는 상기 하부 구조(200), 즉, 비트 라인이나 게이트를 노출시키는 콘택홀(510, 530)을 형성한다. 이와 같이 하여 상기 콘택홀(510, 530)을 가지는 흡습 방지막 패턴(450) 및 HSQ막 패턴(350)을 형성한다.
이때, 상기 노출되는 반도체 기판(100) 상 또는 하부 구조(200) 상에는 자연 산화막(도시되지 않음) 또는 상기 콘택홀(510, 530)을 형성하는 공정 중에 발생하는 불순물 등이 형성되어 있다. 이러한 자연 산화막 또는 불순물을 제거하기 위하여 상기 콘택홀(510, 530)이 형성된 반도체 기판(100) 상을 습식 세정한다. 예컨대, 불산(HF)을 순수(deionized water)로 희석시킨 화학 용액, 즉, 세정액을 상기 결과물의 전면에 도입하여 상기 자연 산화막 및 불순물을 제거한다.
이때, 상기 HSQ막 패턴(350)은 상기 플라즈마 처리에 의해서 균일하고 치밀한 막질로 변이되어 있으며, 또한 상기 HSQ막 패턴(350)과 상기 흡습 방지막 패턴(450)의 계면의 특성이 개선되어 있다. 따라서, 종래와 같이 상기 세정액, 즉, 화학 용액에 의한 HSQ막 패턴(350)의 침해, 특히 상기 계면에서의 침해를 방지할 수 있다. 따라서, 종래와 같은 상기 화학 용액이 상기 계면을 침해하며 계면을 타고 들어 형성하는 빈 공간과 같은 콘택홀 프로파일 불량이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 따라서 양호한 프로파일을 가지는 콘택홀(510, 530)을 형성할 수 있다.
도 5는 콘택홀(510, 530)을 채우는 도전막(600)을 형성하는 단계를 나타낸다.
흡습 방지막 패턴(450) 상에 상기 콘택홀(510, 530)을 채우는 도전막(600)을 스퍼터링(sputtering) 방법, 화학 기상 증착(Chemical Vapour Deposition) 방법 및 전자 사이클로트론 공명(ECR;Electron Cyclotron Resonance) 장치를 이용하여 증착하는 방법 등을 이용하여 형성한다. 바람직하게는 전자 사이클로트론 공명 장치를 이용하여 형성된 알루미늄(Al)막 및 텅스텐(W)막 등과 같은 금속막을 상기 도전막(600)으로 이용한다. 상기 도전막(600)을 상기 전자 사이클로트론 공명 장치를 이용하여 형성할 때, 그 예비 공정 단계로 전자 사이클로트론 공명 장치를 이용하여 상기 습식 세정된 반도체 기판(100) 상을 추가로 세정하는 단계를 더 수행할 수 있다. 예컨대, 콘택홀(510, 530)에 의해 노출되는 하부 구조(200) 또는 반도체 기판(100)을 대략 300Å 정도 식각하여 제거하는 단계를 더 수행할 수 있다. 이와 같이 하면, 자연 산화막 및 불순물을 보다 정결하게 제거할 수 있고, 상기 콘택홀(510, 530)의 프로파일을 보다 더 양호하게 한다.
이와 같이, 습식 세정 단계에서 이용되는 화학 용액에 의한 HSQ막 패턴(350)의 침해, 특히 흡습 방지막 패턴(450)과의 계면에서의 침해를 방지하며, 상기 콘택홀(510, 530)을 형성할 때 발생하는 불순물과 자연 산화막을 제거할 수 있어, 양호한 프로파일(profile)을 가지는 콘택홀을 형성할 수 있다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 효과를 설명하기 위해서 도시한 전자 주사 현미경(SEM;Scanning Electron Microscope) 사진들이다.
도 6은 반도체 기판(100) 상에 HSQ막(300)을 형성하고, 산소(O2) 가스를 플라즈마 소오스로 이용하여 플라즈마 처리를 한 후, 흡습 방지막(400)을 형성한 조건에서 콘택홀(510, 5300)을 형성하고 습식 세정한 결과이다. 이때, 대략 1500W의 RF 전력을 인가하고, 대략 2.2 Torr의 챔버(chamber) 압력의 조건에서 플라즈마를 발생시킨다. 이 경우에서는 흡습 방지막 패턴(450)의 하부의 HSQ막 패턴(350)이 상기 흡습 방지막 패턴(450)에 비해 세정에 이용된 화학 용액에 더 식각되어 턱과 같은 형상의 계면을 가진다. 이와 같은 현상은 상기 HSQ막 패턴(350)이 상기 플라즈마 처리에 의해 표면에서부터 대략 600Å 내지 800Å 정도의 깊이까지 포러스(porous)해져서 HSQ막 패턴(350)의 내부 보다 더 용이하게 습식 식각된 결과이다. 그러나, 종래에서와 같은 계면을 타고 들어가며 발생하는 빈 공간과 같은 심각한 침해는 나타내지는 않는다. 따라서, 이후의 공정에서 상기 턱 상부의 흡습 방지막 패턴(450)의 돌출부를 제거하여 원만한 프로파일로 개선시킬 수 있다. 예컨대, 상기 콘택홀(510, 530)을 채우는 금속막을 도포하기 이전에 전자 사이클로트론 장치를 이용하여 자연 산화막을 제거함과 동시에 상기 흡습 방지막 패턴(450)의 돌출부를 제거할 수 있다.
도 7은 반도체 기판(100) 상에 HSQ막(300)을 형성하고, 암모니아(NH3) 가스를 플라즈마 소오스로 이용하여 플라즈마 처리를 한 후, 흡습 방지막(400)을 형성한 조건에서 콘택홀(510, 530)을 형성하고 습식 세정한 결과이다. 이때, 대략 300W 내지 500W 의 RF 전력을 인가하고 1.5Torr 정도의 챔버 압력 조건으로 플라즈마를 발생시킨다. 이 경우에서는 상기 HSQ막 패턴(350)과 흡습 방지막 패턴(450)의 계면에서 질소(N) 원자를 포함하는 절연막, 예컨대 SiON 계열의 절연막이 형성된다. 이러한 SiON 계열의 절연막은 습식 세정에 이용되는 화학 용액에 대해 식각율이 상기 흡습 방지막 패턴(450) 보다 낮은 특성을 가진다. 따라서, 상기 습식 세정에 이용되는 화학 용액에 의한 상기 계면의 습식 식각율을 낮출 수 있어 도 7에서 도시한 바와 같이 콘택홀(510, 530) 내부로 돌출하는 돌출부가 그 계면에 형성된다. 이러한 돌출부 또한 이후의 금속막을 채우는 공정의 예비 단계로 전자 사이클로트론 장치를 이용하여 자연 산화막 등을 제거함과 동시에 제거할 수 있어 콘택홀의 프로파일을 개선시킬 수 있다.
도 8은 도 7에서 설명한 조건과 동일하나 암모니아(NH3) 가스를 플라즈마 소오스로 이용하는 대신에, 산화 이질소(N2O) 가스를 플라즈마 소오스로 이용하여 상기 HSQ막(300)을 플라즈마 처리를 한다. 이 경우에서는 도 8에 나타나는 바와 같이 양호한 프로파일의 콘택홀을 형성할 수 있다. 따라서, 상기 도 6과 도 7에서 설명한 바와 같은 전자 사이클로트론 장치를 이용한 추가의 세정 공정을 생략하고서, 종래와 같은 콘택홀(510, 530) 내에 금속막이 채워지지 않는 빈 공간이 발생하는 불량과 같은 불량의 발생을 억제하며 상기 콘택홀(510, 530)에 금속막을 채울 수 있다.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해서 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
상술한 본 발명에 따르면, HSQ막을 산화 이질소(N2O) 가스, 암모니아(NH3) 가스, 산소(O2) 가스 및 그 혼합 가스 등과 같은 가스를 이용하여 플라즈마 처리함으로써, HSQ막 패턴과 흡습 방지막 패턴의 계면에서의 프로파일 불량 발생을 억제할 수 있어 양호한 프로파일을 가지는 콘택홀을 형성할 수 있다.
Claims (7)
- 반도체 기판 상에 수소 실세스퀴옥산(Hydrogen SilsesQuioxane)막을 형성하는 단계; 상기 수소 실세스퀴옥산(Hydrogen SilsesQuioxane)막을 플라즈마 처리하는 단계; 상기 플라즈마 처리된 수소 실세스퀴옥산(Hydrogen SilsesQuioxane)막 상에 흡습 방지막을 형성하는 단계; 및 상기 흡습 방지막 및 수소 실세스퀴옥산(Hydrogen SilsesQuioxane)막을 순차적으로 패터닝하여 콘택홀을 가지는 흡습 방지막 패턴 및 수소 실세스퀴옥산(Hydrogen SilsesQuioxane)막 패턴을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 콘택홀 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 수소 실세스퀴옥산(Hydrogen SilsesQuioxane)막은 400℃ 내지 450℃의 온도 조건에서 큐어링되어 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 콘택홀 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 처리하는 단계는 산화 이질소(N2O) 가스, 암모니아(NH3) 가스, 산소(O2) 가스 및 그 혼합 가스로 이루어지는 일군의 가스 중에서 선택된 어느 하나의 가스를 플라즈마 소오스로 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 콘택홀 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 흡습 방지막은 상기 플라즈마 처리 단계와 인 시튜(in-situ)로 형성되는 플라즈마 강화 TEOS막 또는 플라즈마 강화 SiH4막인 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 콘택홀 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 흡습 방지막을 형성하는 단계 이후에 상기 흡습 방지막을 산소(O2) 가스, 질소(N2) 가스 및 수증기(H2O)를 포함하여 이루어지는 가스 조건에서 열처리하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로하는 반도체 장치의 콘택홀 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 흡습 방지막 패턴 및 수소 실세스퀴옥산(Hydrogen SilsesQuioxane)막 패턴을 형성하는 단계 이후에 상기 흡습 방지막 패턴이 형성된 반도체 기판 상을 불산(HF) 및 순수를 포함하여 이루어지는 화학 용액을 이용하여 습식 세정하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 콘택홀 형성 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 습식 세정하는 단계 이후에 상기 습식 세정된 반도체 기판 상을 전자 사이클로트론 공명(Electron Cyclotron Resonance) 장치를 이용하여 세정하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 콘택홀 형성 방법.
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