KR20040006459A - 하드 마스크 식각 향상 방법 - Google Patents

하드 마스크 식각 향상 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 격리 공정, 게이트 식각 공정, 스토리지노드 콘택 식각 공정 및 스토리지노드 전극 형성 공정 등에서 적용되는 하드 마스크의 식각력을 향상시킴으로서, 기판의 중심 부분과 가장자리 부분에서의 CD(Critical Dimension) 바이어스(bias)를 제거할 수 있는 하드마스크 식각 향상 방법에 관해 개시한 것으로서, 반도체기판 상에 피식각막 및 하드 마스크용 박막을 차례로 형성하는 단계와, 박막 상에 소정 형상의 감광막 패턴을 형성하는 단계와, 감광막 패턴을 식각 장벽으로 하고 박막 상에 CF4,CHF3,O2및 Ar 혼합 가스 공급하면서 건식 식각하여 하드 마스크를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명은 CF4,CHF3,O2및 Ar 혼합 가스 공급을 실시하되, 상기 혼합 가스들의 기판의 중심과 가장자리 부분에서의 선택비 의존도를 구하여 혼합 가스들을 적절하게 공급함으로써, 식각 후 기판의 중심과 가장자리에서 패턴 크기, 프로파일, 식각 균일도 등을 쉽게 조절할 수 있을 뿐만 아니라 CD바이어스를 예측할 수 있으므로 소자의 개발 비용을 줄일 수 있다.

Description

하드 마스크 식각 향상 방법{METHOD FOR IMPROVEMENT ETCHING OF HARD MASK}
본 발명은 로직(logic)을 포함한 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 격리 공정, 게이트 식각 공정, 스토리지노드 콘택 식각 공정 및 스토리지노드 전극 형성 공정 등에서 적용되는 하드마스크의 식각력을 향상시킴으로서, 기판의 중심 부분과 가장자리 부분에서의 CD(Critical Dimension)바이어스(bias)를 제거할 수 있는 하드마스크 식각 향상 방법에 관한 것이다.
디자인 룰이 감소함에 따라, 감광막의 선폭과 두께가 줄어들게 된다. 따라서, 감광막에 대한 마진을 얻기 위해 식각하려는 층과 감광막 사이에 실리콘 질화막을 개재시키고 패턴 식각하여 하드마스크로 사용한다.
반도체 식각 공정에서 식각 후의 패턴 균일도(uniformity)는 소자의 특성 측면에서 매우 중요하다. 상기 식각 균일도는 식각 시에 사용하는 혼합가스와 밀접한 관계가 있으며, 패턴 크기는 선택비와 반비례 관계에 있다. 또한, 선택비는 기판의 중심과 가장자리 사이의 식각율 차이와도 깊은 관련이 있다. 즉, 선택비가 좋으면 마스크를 이용하여 형성된 패턴의 크기를 그대로 가져갈 수 있어 그 크기가 크고, 선택비가 작을 경우 측면 식각 특성이 커지기 때문에 패턴 크기가 작아진다.
식각 선택비는 서로 다른 종류의 박막을 동일한 플라즈마 조건 하에서 식각할때 각각의 박막에 대한 식각속도의 상대적인 비를 의미한다. 즉, A라는 박막에 대한 임의의 플라즈마 조건 하에서의 식각속도를 EA라고 하고, B라는 박막에 대한 동일한 플라즈마 조건 하에서의 식각속도를 EB라고 할때 선택비(SA/B)는 다음과 같다.
SA/B= EA/EB………………………(Ⅰ)
(Ⅰ)식을 통해 B층에 대한 A층의 평균적인 선택비를 알 수 있다.
도 1a 내지 도 1b는 종래 기술에 따른 문제점을 설명하기 위한 것으로서, 기판 중심부분과 가장자리 부분 사이의 CD바이어스를 보인 SEM사진이다.
그러나, 종래의 기술에서는 이와 같이 게이트의 하드마스크 식각 공정에 CH2F2식각가스를 사용하면 기판의 중심 부분과 가장자리 부분에서, 도 1a 내지 도 1b에 도시된 바와 같이, CD 바이어스 문제가 발생되었다.
이에 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 하드마스크의 식각 공정을 개선시킴으로서, 기판의 중심 부분과 가장자리 부분에서 발생되는 CD 바이어스 문제를 개선할 수 있는 하드마스크 식각 향상 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1a 내지 도 1b는 종래 기술에 따른 문제점을 설명하기 위한 것으로서, 기판 중심부분과 가장자리 부분 사이의 CD바이어스를 보인 SEM사진.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 하드 마스크 식각 향상 방법을 설명하기 위한 공정단면도.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명에 따른 하드 마스크 식각 향상 방법을 적용한 SEM사진.
도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 하드 마스크를 식각하기 위한 식각 가스의 혼합비를 각기 달리 할 경우 혼합 가스의 각 성분들이 기판의 중심 부분과 가장자리 부분에 선택비 차이를 유발시킴을 보인 그래프.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 하드마스크 식각 향상 방법은 반도체기판 상에 피식각막 및 하드 마스크용 박막을 차례로 형성하는 단계와, 박막 상에 소정 형상의 감광막 패턴을 형성하는 단계와, 감광막 패턴을 식각 장벽으로 하고 박막 상에 CF4,CHF3,O2및 Ar 혼합 가스 공급하면서 건식 식각하여 하드 마스크를 형성하는 단계를 포함한 것을 특징으로 한다.
상기 박막은 실리콘 질화막, 산화질화막, 산화막 중 어느 하나의 단일막 또는 이들 막을 다중 적층한 막을 이용한다.
상기 하드마스크는 소자 격리, 게이트 형성, 스토리지노드 콘택 형성 및 스토리지노드 전극 형성 공정 중 어느 하나에서 사용한다.
상기 하드 마스크를 형성한 다음, 감광막을 제거하는 단계와, 하드 마스크를식각 장벽으로 하고 상기 피식각물을 식각하는 단계를 추가하거나, 또는, 상기 감광막을 제거하지 않은 상태에서 하드 마스크를 식각 장벽으로 하고 피식각물을 식각하는 단계를 추가한다.
상기 건식 식각 공정은 플라즈마 소오스에 따라 플래너 타입, RIE타입, MERIE타입 중 어느 하나를 이용하며, 상기 CF4,CHF3,O2및 Ar 혼합 가스에 N2,He,C2F 및 CO 가스 중 어느 하나를 추가한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 하드 마스크 식각 향상 방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.
본 발명에 따른 하드마스크 식각 향상 방법은, 도 2a에 도시된 바와 같이, 반도체기판(10) 상에 피식각막(12) 및 하드 마스크용 박막(14)을 차례로 형성한다. 이때, 상기 피식각막(12)으로는 트렌치 형성용 패드산화막, 게이트용 다결정 실리콘막, 스토리지노드 콘택용 층간절연막 또는 스토리지노드 전극용 금속막이 될 수도 있다. 또한, 상기 하드 마스크용 박막(14)으로는 실리콘 질화막(SiN), 산화질화막(SiON), 산화막(SiO2) 중 어느 하나의 단일막 또는 이들 막을 다중 적층한 막 중 어느 하나를 이용한다. 여기에서는 편의상 피식각막(12)으로는 게이트용 다결정 실리콘막을, 하드 마스크용 박막(14)으로는 실리콘 질화막을 예로 하여 설명한다.
이어, 도 2b에 도시된 바와 같이, 실리콘 질화막(14) 상에 게이트영역을 덮는 감광막 패턴(20)을 형성한다.
그런 다음, 도 2c에 도시된 바와 같이, 상기 감광막 패턴(20)을 식각 장벽으로 하고 기판 전면에 CF4,CHF3,O2및 Ar 혼합 가스 공급(30)을 실시하여 실리콘 질화막을 건식 식각함으로서, 하드 마스크(20)를 형성한다. 이때, 상기 건식 식각 공정은 플라즈마 소오스에 따라 플래너(planar) 타입, RIE(Reactive Ion Etch)타입, MERIE(Magnetic Enhanced Reactive Ion Etch)타입 중 어느 하나를 이용하며, 상기 CF4,CHF3,O2및 Ar 혼합 가스에 N2,He,C2F 및 CO 가스 등의 보조가스를 추가하여 사용한다.
이 후, 감광막 패턴을 제거하고 나서, 도 2d에 도시된 바와 같이, 하드 마스크(20)를 식각 장벽으로 하고 다결정 실리콘막을 건식 식각하여 게이트(13)를 형성한다. 이때, 상기 감광막 패턴을 제거하지 않은 상태에서 감광막 패턴 및 하드 마스크(20)를 식각 장벽으로 하고 다결정 실리콘막을 식각하여 게이트(13)를 형성할 수도 있다.
여기에서는, 상기 하드 마스크(20)를 게이트 형성 공정에 적용한 것을 보였으나, 이외에도 소자 격리, 스토리지노드 콘택 형성 및 스토리지노드 전극 형성 공정에도 적용 가능하다.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명에 따른 하드 마스크 식각 향상 방법을 적용한 SEM사진이다.
따라서, 본 발명에서는, 도 3a 내지 도 3b에 도시된 바와 같이, 기판의 중심과 가장자리 부분가 비슷하므로 CD바이어스가 없다. 즉, 기판의 가장자리 부분의 선택비가 증가함을 알 수 있다.
도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 하드 마스크를 식각하기 위한 식각 가스의 혼합비를 각기 달리 할 경우 혼합 가스의 각 성분들이 기판의 중심 부분과 가장자리 부분에 선택비 차이를 유발시킴을 보인 그래프이다.
도 4는 하드마스크 박막을 식각하기 위한 건식 가스로서, CF4,CHF3,O2및 Ar 중 CF4가스의 유량 변화에 따른 기판의 중심과 가장자리 부분 사이의 선택비 차이를 보인 그래프이다.
도 5는 하드마스크 박막을 식각하기 위한 건식 가스로서, CF4,CHF3,O2및 Ar 중 O2가스의 유량 변화에 따른 기판의 중심과 가장자리 부분 사이의 선택비 차이를 보인 그래프이다.
도 6는 하드마스크 박막을 식각하기 위한 건식 가스로서, CF4,CHF3,O2및 Ar 중 CHF3가스의 유량 변화에 따른 기판의 중심과 가장자리 부분 사이의 선택비 차이를 보인 그래프이다.
도 7는 하드마스크 박막을 식각하기 위한 건식 가스로서, CF4,CHF3,O2및 Ar 중 Ar 가스의 유량 변화에 따른 기판의 중심과 가장자리 부분 사이의 선택비 차이를 보인 그래프이다.
따라서, 본 발명에서는, 도 4 내지 도 7에 도시된 바은 실험을 통해 식각에사용되는 다른 혼합 가스들의 기판의 중심과 가장자리 부분에서의 선택비 의존도를 구할 수 있음으로서, 혼합 가스들을 적절하게 조절하여 기판 내의 원하는 지점에서 원하는 선택비를 얻을 수 있다. 따라서, 이러한 방법으로 공정 변수들을 적절히 조절함으로서 구한 선택비를 사용하면 식각 후 기판의 중심과 가장자리 부분에서 패턴 크기, 프로파일(profile), 균일도 등을 쉽게 조절할 수 있을 뿐더러 상기 실험을 통해 얻은 선택비와 (Ⅳ)식 및 (Ⅴ)식을 이용하여 미리 CD 바이어스를 예측함으로서, 소자의 개발 비용을 줄일 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명은 CF4,CHF3,O2및 Ar 혼합 가스 공급을 실시하되, 상기 혼합 가스들의 기판의 중심과 가장자리 부분에서의 선택비 의존도를 구하여 혼합 가스들을 적절하게 공급함으로써, 식각 후 기판의 중심과 가장자리에서 패턴 크기, 프로파일, 식각 균일도 등을 쉽게 조절할 수 있을 뿐만 아니라 CD바이어스를 예측할 수 있으므로 소자의 개발 비용을 줄일 수 있다.
기타, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.

Claims (7)

  1. 반도체기판 상에 피식각막 및 하드 마스크용 박막을 차례로 형성하는 단계와,
    상기 박막 상에 소정 형상의 감광막 패턴을 형성하는 단계와,
    상기 감광막 패턴을 식각 장벽으로 하고 상기 박막 상에 CF4,CHF3,O2및 Ar 혼합 가스 공급하면서 건식 식각하여 하드 마스크를 형성하는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 하드 마스크 식각 향상 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 박막은 실리콘 질화막, 산화질화막, 산화막 중 어느 하나의 단일막 또는 이들 막을 다중 적층한 막을 이용하는 것을 특징으로 하는 하드 마스크 식각 향상 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 하드마스크는 소자 격리, 게이트 형성, 스토리지노드 콘택 형성 및 스토리지노드 전극 형성 공정 중 어느 하나에서 사용하는 것을 특징으로 하는 하드 마스크 식각 향상 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 하드 마스크를 형성한 다음,
    상기 감광막을 제거하는 단계와,
    상기 하드 마스크를 식각 장벽으로 하고 상기 피식각물을 식각하는 단계를추가하는 것을 특징으로 하는 하드 마스크 식각 향상 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 하드 마스크를 형성한 다음,
    상기 감광막을 제거하지 않은 상태에서 상기 하드 마스크를 식각 장벽으로 하고 상기 피식각물을 식각하는 단계를 추가하는 것을 특징으로 하는 하드 마스크 식각 향상 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 CF4,CHF3,O2및 Ar 혼합 가스에 N2,He,C2F 및 CO 가스 중 어느 하나를 추가하는 것을 특징으로 하는 하드 마스크 식각 향상 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 건식 식각 공정은 플라즈마 소오스에 따라 플래너 타입, RIE타입, MERIE타입 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 하드 마스크 식각 향상 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100665655B1 (ko) * 2004-11-09 2007-01-10 동부일렉트로닉스 주식회사 반도체 소자의 제조 방법
KR100769588B1 (ko) * 2006-08-28 2007-10-23 (주)울텍 실리콘 나노 구조체의 형성 방법
KR100781445B1 (ko) * 2006-08-31 2007-12-03 동부일렉트로닉스 주식회사 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법
KR20230024477A (ko) * 2021-08-11 2023-02-21 한국기계연구원 두께가 제어된 금속-칼코게나이드 박막의 제조방법

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