KR20040080574A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체소자의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 게이트 하드마스크층을 이중으로 형성하여 콘택홀의 공정여유도를 증가시키고, 게이트전극 단락을 방지하여 공정 수율 및 소자 동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체소자의 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and in particular, a gate hard mask layer is formed in a double layer to increase the process margin of contact holes, and prevent a short circuit of the gate electrode to improve process yield and reliability of device operation. It relates to a method for manufacturing a device.
최근의 반도체 장치의 고집적화 추세는 미세 패턴 형성 기술의 발전에 큰 영향을 받고 있으며, 반도체 장치의 제조 공정 중에서 식각 또는 이온주입 공정 등의 마스크로 매우 폭 넓게 사용되는 감광막 패턴의 미세화가 필수 요건이다.The recent trend of high integration of semiconductor devices has been greatly influenced by the development of fine pattern formation technology, and the miniaturization of photoresist patterns, which are widely used as masks such as etching or ion implantation processes, are essential in the manufacturing process of semiconductor devices.
이러한 감광막 패턴의 분해능(R)은 감광막 자체의 재질이나 기판과의 접착력등과도 밀접한 연관이 있으나, 일차적으로는 사용되는 축소노광장치의 광원 파장(λ) 및 공정 변수(k)에 비례하고, 노광 장치의 렌즈 구경(numerical aperture; NA, 개구수)에 반비례한다.The resolution (R) of the photoresist pattern is closely related to the material of the photoresist itself or the adhesion to the substrate. It is inversely proportional to the lens aperture (NA, numerical aperture) of the device.
[R=k*λ/NA,~R=해상도,~λ=광원의~파장,~NA=개구수~][R = k * λ / NA, ~ R = resolution, ~ λ = wavelength of light source, NA = opening number ~]
여기서 상기 축소노광장치의 광분해능을 향상시키기 위하여 광원의 파장을 감소시키게 되며, 예를들어 파장이 436 및 365㎚인 G-라인 및 i-라인 축소노광장치는 공정 분해능이 라인/스페이스 패턴의 경우 각각 약 0.7, 0.5㎛ 정도가 한계이고, 0.5㎛ 이하의 미세 패턴을 형성하기 위해서는 이보다 파장이 더 작은 원자외선(deep ultra violet; DUV), 예를들어 파장이 248㎚인 KrF 레이저나 193㎚인 ArF 레이저를 광원으로 사용하는 노광 장치를 이용하여야 한다.Here, the wavelength of the light source is reduced in order to improve the optical resolution of the reduced exposure apparatus. For example, the G-line and i-line reduced exposure apparatus having wavelengths of 436 and 365 nm have a process resolution of a line / space pattern. The limit is about 0.7 and 0.5 μm, respectively, and in order to form a fine pattern of 0.5 μm or less, deeper ultra violet (DUV), for example, KrF laser having a wavelength of 248 nm or 193 nm An exposure apparatus using an ArF laser as a light source should be used.
또한 축소노광장치와는 별도로 공정 상의 방법으로는 노광마스크(photo mask)로서 위상반전마스크(phase shift mask)를 사용하는 방법이나, 이미지 콘트라스트를 향상시킬 수 있는 별도의 박막을 웨이퍼 상에 형성하는 씨.이.엘(contrast enhancement layer; CEL) 방법이나, 두층의 감광막 사이에 에스.오.지(spin on glass; SOG)등의 중간층을 개재시킨 삼층레지스트(Tri layer resister; 이하 TLR이라 칭함) 방법 또는 감광막의 상측에 선택적으로 실리콘을 주입시키는 실리레이션 방법 등이 개발되어 분해능 한계치를 낮추고 있다.In addition to the reduction exposure apparatus, the process method includes a method of using a phase shift mask as a photo mask, or forming a separate thin film on the wafer to improve image contrast. A contrast enhancement layer (CEL) method or a tri layer resister (hereinafter referred to as a TLR) method in which an intermediate layer such as spin on glass (SOG) is interposed between two photoresist layers. In addition, a silicide method for selectively injecting silicon into the upper side of the photosensitive film has been developed to lower the resolution limit.
또한 상하의 도전배선을 연결하는 콘택홀은 상기에서의 라인/스페이스 패턴에 비해 디자인룰이 더 크게 나타나는데, 소자가 고집적화 되어감에 따라 자체의 크기와 주변배선과의 간격이 감소되고, 콘택홀의 지름과 깊이의 비인 에스팩트비(aspect ratio)가 증가한다. 따라서, 다층의 도전배선을 구비하는 고집적 반도체소자에서는 콘택 형성 공정에서의 마스크들간의 정확하고 엄격한 정렬이 요구되어 공정여유도가 감소돠거나, 여유가 전혀없이 공정을 진행하여야하는 어려움이 있다.In addition, the contact hole connecting the upper and lower conductive wirings has a larger design rule than the above line / space pattern. As the device becomes more integrated, the size of the contact hole and the distance between the peripheral wirings are reduced, and the contact hole diameter and The aspect ratio, which is the ratio of depths, increases. Therefore, in the highly integrated semiconductor device having the multilayer conductive wiring, accurate and strict alignment between the masks in the contact forming process is required, so that the process margin is reduced or the process must be performed without any margin.
이러한 콘택홀은 홀간의 간격 유지를 위하여 마스크 정렬시의 오배열 여유(misalignment tolerance), 노광공정시의 렌즈 왜곡(lens distortion), 마스크 제작 및 사진식각 공정시의 임계크기 변화(critical dimension variation), 마스크간의 정합(registration)등과 같은 요인들을 고려하여 마스크를 형성한다.These contact holes can be used for misalignment tolerance during mask alignment, lens distortion during exposure, critical dimension variation during mask fabrication and photolithography, The mask is formed by considering factors such as registration between the masks.
상기와 같은 콘택홀의 형성 방법으로는 직접 식각 방법과, 측벽 스페이서를 사용하는 방법 및 자기정렬콘택 방법등이 있다.As a method of forming the contact hole as described above, there are a direct etching method, a method using a sidewall spacer, a self-aligned contact method, and the like.
상기에서 직접 식각방법과 측벽 스페이서 형성 방법은 현재의 재반 기술 수준에서 0.3㎛ 이하의 디자인 룰을 갖는 소자 제조에는 사용할 수 없어 소자의 고집적화에 한계가 있다.In the above method, the direct etching method and the sidewall spacer forming method cannot be used for manufacturing a device having a design rule of 0.3 μm or less in the current technology level, and thus there is a limitation in high integration of the device.
또한 콘택홀 형성시 리소그래피(Lithography) 공정의 한계를 극복하기 위하여 고안된 자기정렬콘택 방법은 식각장벽층으로 사용하는 물질에 따라 다결정실리콘층이나 질화막 또는 산화질화막등을 사용하는 것으로 나눌 수 있으며, 가장 유망한 것으로 질화막을 식각 방어막으로 사용하는 방법이 있다.In addition, the self-aligned contact method designed to overcome the limitations of the lithography process when forming contact holes can be divided into polysilicon layer, nitride film or oxynitride film, depending on the material used as the etch barrier layer. One method is to use nitride as an etch shield.
도 1a 및 도1b는 종래 기술에 따른 반도체소자의 제조공정도로서, 자기정렬 콘택의 예이다.1A and 1B are a manufacturing process diagram of a semiconductor device according to the prior art, which is an example of a self-aligned contact.
먼저, 반도체기판(10)상에 게이트산화막(12)과 게이트전극(14) 및 상기 게이트전극(14)과 중첩되어있는 하드마스크층(16) 패턴을 형성하고, 상기 게이트전극(14)과 하드마스크층(16) 패턴의 측벽에 절연 스페이서(18)를 형성한다.First, a pattern of a hard mask layer 16 overlapping the gate oxide film 12, the gate electrode 14, and the gate electrode 14 is formed on the semiconductor substrate 10. An insulating spacer 18 is formed on the sidewall of the mask layer 16 pattern.
그다음 상기 구조의 전표면에 층간절연막(20)을 형성하고, 상기 층간절연막(20)상에 콘택 형성을 위한 감광막 패턴(22)을 형성한다. (도 1a 참조).Next, an interlayer insulating film 20 is formed on the entire surface of the structure, and a photosensitive film pattern 22 for forming a contact is formed on the interlayer insulating film 20. (See FIG. 1A).
그후, 상기 감광막 패턴(22)을 마스크로 노출되어있는 층간절연막(20)을 식각하여 콘택홀을 형성하고, 상기 콘택홀을 메우는 콘택플러그(24)를 형성한다. (도 1b 참조).Thereafter, the interlayer insulating film 20, in which the photoresist pattern 22 is exposed as a mask, is etched to form a contact hole, and a contact plug 24 filling the contact hole is formed. (See FIG. 1B).
상기와 같은 종래 기술에 따른 반도체소자의 제조방법은 자기정렬콘택을 이용한 콘택플러그 형성에서 게이트 하드마스크층을 이용하여 자체적으로 정렬이 이루어져 공정상 유리한 점이 있으나, 홀형의 특성상 노광 한계에 이르려 바형 콘택플러그를 형성하는 공정으로 발전하였으나, 바형 콘택플러그는 라인/스페이스 패턴으로 선폭에 대한 노광은 가능하게 되었으나, 마스크 역할을 하는 하드마스크층의 두께가 감소되어 후속 공정에서 상부층 플러그 형성시 공정 마진이 작아져 단락등의 불량 발생의 원인이 되고, 공정 능력에 한계가 있어 소자의 고집적화를 방해하는 문제점이 있다.The method of manufacturing a semiconductor device according to the prior art as described above has an advantage in the process of forming a contact plug by using a self-aligned contact by using a gate hard mask layer. However, due to the hole type characteristics, the bar contact plug is reached due to the exposure limit. Although the bar contact plug has been developed to form a line / space pattern, exposure to the line width is possible, but the thickness of the hard mask layer serving as a mask is reduced, resulting in a smaller process margin when forming the upper layer plug in a subsequent process. There is a problem that causes a defect such as a short circuit, there is a limit in the process capability, which hinders the high integration of the device.
또한 이러한 문제점을 해결하기 위하여 하드마스크층의 두께를 증가시키면 워드라인 노광시 선폭이 불균일하게 형성되거나, 절연막 증착시 절연막에 보이드가형성될 수도 있으며, 식각 공정이 어려워지는 등의 문제점이 있다.In addition, in order to solve the problem, increasing the thickness of the hard mask layer may result in an uneven line width during word line exposure, voids may be formed in the insulating film when the insulating film is deposited, and the etching process may be difficult.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 이중의 하드마스크층을 이용하여 하드마스크층의 두께 감소에 다른 공저 여유도 가소를 방지하고, 패턴 불량에 따른 단락등을 방지하여 공정 수율 및 소자 동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체소자의 제조방법을 제공함에 있다.The present invention is to solve the above problems, an object of the present invention by using a double hard mask layer to reduce the thickness of the hard mask layer to prevent the other deduction of clearance, and to prevent short circuits due to a pattern failure. By providing a method of manufacturing a semiconductor device that can improve the process yield and the reliability of device operation.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 반도체소자의 제조공정도.1A and 1B are manufacturing process diagrams of a semiconductor device according to the prior art.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 반도체소자의 제조공정도.2a to 2e is a manufacturing process diagram of a semiconductor device according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10, 30 : 반도체기판 12, 32 : 게이트산화막10, 30: semiconductor substrate 12, 32: gate oxide film
14, 34 : 게이트전극 16, 36, 42 : 하드마스크층14, 34: gate electrodes 16, 36, 42: hard mask layer
18, 38 : 절연 스페이서 20, 40, 46 : 층간절연막18, 38: insulation spacer 20, 40, 46: interlayer insulating film
22, 44, 48 : 감광막 패턴 24, 52 : 콘택플러그22, 44, 48: photoresist pattern 24, 52: contact plug
50 : 도전층50: conductive layer
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체소자 제조방법의 특징은,Features of the semiconductor device manufacturing method according to the present invention for achieving the above object,
반도체기판상에 제1층간절연막을 형성하는 공정과,Forming a first interlayer insulating film on the semiconductor substrate;
상기 제1층간절연막상에 도전층과 제1하드마스크층을 순차적으로 형성하는 공정과,Sequentially forming a conductive layer and a first hard mask layer on the first interlayer insulating film;
상기 제1하드마스크층과 도전층을 도전배선 패턴닝 마스크를 이용하여 사진식각하여 제1하드마스크층 패턴과 중첩되어있는 도전층 패턴을 형성하는 공정과,Photo-etching the first hard mask layer and the conductive layer using a conductive wiring patterning mask to form a conductive layer pattern overlapping the first hard mask layer pattern;
상기 도전층 패턴과 제1하드마스크층 패턴의 측벽에 절연 스페이서를 형성하는 공정과,Forming an insulating spacer on sidewalls of the conductive layer pattern and the first hard mask layer pattern;
상기 구조의 전표면에 제2층간절연막과 제2하드마스크층을 순차적으로 형성하는 공정과,Sequentially forming a second interlayer insulating film and a second hard mask layer on the entire surface of the structure;
상기 제2하드마스크층을 상기 도전층 패턴닝 마스크로 사진식각하여 상기 도전층 패턴의 상측에 제2하드마스크층 패턴을 형성하는 공정과,Photo-etching the second hard mask layer with the conductive layer patterning mask to form a second hard mask layer pattern on the conductive layer pattern;
상기 구조의 전표면에 제3층간절연막을 형성하는 공정과,Forming a third interlayer insulating film on the entire surface of the structure;
상기 제3층간절연막에서 제1층간절연막까지를 콘택 마스크를 이용한 사진식각 공정을 선택적으로 제거하여 콘택홀을 형성하는 공정과,Selectively removing the photolithography process using a contact mask from the third interlayer insulating film to the first interlayer insulating film to form contact holes;
상기 콘택을 메우는 콘택플러그를 형성하는 공정을 구비함에 있다.And forming a contact plug filling the contact.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 반도체소자의 제조방법에 대하여 상세히 설명을 하기로 한다.Hereinafter, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 반도체소자의 제조공정도로서, 바형 콘택플러그의 예이다.2A to 2E are diagrams illustrating a process of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, which is an example of a bar contact plug.
먼저, 반도체기판(30)상에 게이트산화막(32)을 형성하고, 상기 게이트산화막(32)상에 제1하드마스크층(36) 패턴과 중첩되어있는 게이트전극(34)을 형성한 후, 상기 게이트전극(34)과 제1하드마스크층(36) 패턴의 측벽에 절연 스페이서(38)를 형성하고, 상기 구조의 전표면에 제1층간절연막(40)을 형성한 후, 상기 제1층간절연막(40)상에 제2하드마스크층(42)을 형성하고, 상기 게이트 패턴닝 마스크인 제1감광막 패턴(44)을 형성한다. (도 2a 참조).First, the gate oxide layer 32 is formed on the semiconductor substrate 30, and the gate electrode 34 overlapping the first hard mask layer 36 pattern is formed on the gate oxide layer 32. After forming insulating spacers 38 on the sidewalls of the gate electrode 34 and the first hard mask layer 36 pattern, and forming the first interlayer insulating film 40 on the entire surface of the structure, the first interlayer insulating film A second hard mask layer 42 is formed on the 40, and a first photoresist pattern 44, which is the gate patterning mask, is formed. (See FIG. 2A).
그다음 상기 제1감광막 패턴(44)을 마스크로 상기 제2하드마스크층(42)을 식각하여 상기 게이트전극(34)의 상부에 제2하드마스크층(42) 패턴을 형성하고, 상기 제1감광막 패턴(44)을 제거한 후, 상기 구조의 전표면에 제2층간절연막(46)을 형성한다. 여기서 상기 제1 및 제2하드마스크층(36, 42)은 상기 제1 및 제2 층간절연막(40, 46)과는 식각 선택비차가 있는 물질, 예를들어 질화막등으로 형성한다. (도 2b 참조).Next, the second hard mask layer 42 is etched using the first photoresist pattern 44 as a mask to form a second hard mask layer 42 pattern on the gate electrode 34, and the first photoresist layer After the pattern 44 is removed, a second interlayer insulating film 46 is formed on the entire surface of the structure. The first and second hard mask layers 36 and 42 may be formed of a material having an etching selectivity difference from the first and second interlayer insulating films 40 and 46, for example, a nitride film. (See FIG. 2B).
그후, 제2층간절연막(46)상에 바형 플러그 콘택 마스크인 제2감광막 패턴(48)을 형성하고, (도 2c 참조), 상기 제2감광막 패턴(48)을 마스크로 제2 및 제1층간절연막(46, 40)을 순차적으로 제거하여 콘택홀을 형성하고, 상기 구조의 전표면에 플러그 도전층(50)을 도포하여 상기 콘택홀을 메운다. (도 2d 참조).Thereafter, a second photoresist film pattern 48 that is a bar plug contact mask is formed on the second interlayer insulating film 46 (see FIG. 2C), and the second photoresist film pattern 48 is interposed between the second and first layers. The insulating films 46 and 40 are sequentially removed to form contact holes, and the plug conductive layer 50 is applied to the entire surface of the structure to fill the contact holes. (See FIG. 2D).
그다음 상기 도전층(50)의 상부를 화학기계적 연마 방법으로 식각하여 각 콘택 별로 분리된 콘택플러그(52)를 형성한다. 이때 상기 제2층간절연막(46)과 제2하드마스크층(42)의 상부가 일부 제거되나, 제2하드마스크층(42)이 식각 정지층 역할을 한다. (도 2e 참조).Then, the upper portion of the conductive layer 50 is etched by chemical mechanical polishing to form a contact plug 52 separated for each contact. In this case, a portion of the upper portion of the second interlayer insulating layer 46 and the second hard mask layer 42 is removed, but the second hard mask layer 42 serves as an etch stop layer. (See FIG. 2E).
상기에서는 게이트 하드마스크층을 예로 들었으나 이는 비트라인이나 기타 도전배선의 하드마스크에도 마찬가지로 적용할 수 있다.Although the gate hard mask layer is taken as an example, the same may be applied to the hard mask of a bit line or other conductive wiring.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 반도체소자의 제조방법은 게이트전극상의 하드마스크층을 이중으로 구비하고 상부의 하드마스크층은 게이트 패턴닝 마스크로 패턴닝하고, 콘택 오픈 및 도전층 도포와 식각에 의해 셀별로 콘택플러그를 분리하였으므로, 상부 하드마스크층이 식각장벽층이 되어 주므로, 하부 하드마스크층의 손상이 방지되어 얇게 형성할수 있으므로, 게이트 패턴닝에서의 공정 마진이 증가되어 패턴의 균일화에 유리하며, 후속 콘택 공정에서도 상부 하드마스크층이 식각장벽이 되므로 패턴의 단락등의 불량발생을 방지할 수 있어 공정 수율 및 소자 동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.As described above, the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a hard mask layer on the gate electrode, and the upper hard mask layer is patterned by a gate patterning mask, and the contact opening and the conductive layer are applied and etched. Since the contact plugs are separated for each cell, the upper hard mask layer becomes an etch barrier layer, and thus, damage to the lower hard mask layer can be prevented and can be formed thinly. Therefore, the process margin in gate patterning is increased, which is advantageous for pattern uniformity. In addition, in the subsequent contact process, since the upper hard mask layer serves as an etch barrier, defects such as a short circuit of the pattern can be prevented, thereby improving process yield and reliability of device operation.
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- 2003-03-12 KR KR1020030015422A patent/KR20040080574A/en not_active Application Discontinuation
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