KR20050029430A - 반도체 장치 제조 방법 - Google Patents

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이성권
이민석
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주식회사 하이닉스반도체
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Abstract

본 발명은, SAC 식각 및 식각정지막 제거한 다음, 하드마스크만을 선택적으로 제거한 후 세정 공정을 실시함으로써, 세정 공정에 따른 BPSG막과 하드마스크 사이의 계면 특성에 의한 하드마스크의 리프팅 현상을 방지한다.
이를 위해, 콘택 오픈 공정 후 포토레지스트 또는 유기 계열의 반사방지막을 이용한 희생막을 콘택 형성 공정에 의해 형성된 토포로지를 따라 도전패턴(예컨대, 게이트전극 패턴의 게이트 하드마스크)을 덮을 정도로 평탄하게 도포한 다음, CF4 등의 불소계 가스를 이용하여 하드마스크를 제거한다. 이 때, 도전패턴 상부는 도포된 희생막에 의해 보호된다. 이어서, O2 플라즈마 등을 이용한 에치백 공정을 통해 희생막을 선택적으로 제거한다.

Description

반도체 장치 제조 방법{METHOD FOR FABRICATION OF SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 반도체 장치 제조 방법에 관한 것으로 특히, 반도체 장치의 미세 패턴 형성 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하드마스크의 리프팅을 방지할 수 있는 반도체 장치 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 장치는 그 내부에 다수의 단위 소자들을 포함하여 이루어진다. 반도체 장치가 고집적화되면서 일정한 셀(Cell) 면적상에 고밀도로 반도체 소자들을 형성하여야 하며, 이로 인하여 단위 소자, 예를 들면 트랜지스터, 캐패시터들의 크기는 점차 줄어들고 있다. 특히 DRAM(Dynamic Random Access Memory)과 같은 반도체 메모리 장치에서 디자인 룰(Design rule)이 감소하면서 셀의 내부에 형성되는 반도체 소자들의 크기가 점차 작아지고 있다. 실제로 최근 반도체 DRAM 장치의 최소 선폭은 0.1㎛ 이하로 형성되며, 80nm 이하까지도 요구되고 있다. 따라서 셀을 이루는 반도체 소자들의 제조 공정에 많은 어려움들이 발생하고 있다.
80nm 이하의 선폭을 갖는 반도체 소자에서 193nm의 파장을 갖는 ArF(불화아르곤) 노광을 이용하여 포토리소그라피 공정을 적용할 경우, 기존의 식각 공정 개념(정확(conformal)한 패턴 형성과 수직한 식각 프로파일 등)에 식각 도중 발생되는 포토레지스트의 변형(Deformation)의 억제라는 추가의 요구 조건이 필요하게 된다. 이에 따라 80nm 이하의 반도체 소자 제조시에는, 식각의 관점에서 기존의 요구조건과 패턴 변형 방지라는 새로운 요구 조건을 동시에 만족하기 위한 공정 조건의 개발이 주요한 과제가 되었다.
한편, 반도체 소자의 고집적화가 가속화됨에 따라 반도체 소자를 이루는 여러 요소들은 적층 구조를 이루게 되었고, 이에 따라 도입된 것이 콘택 플러그(또는 패드) 개념이다.
이러한 콘택 플러그를 형성함에 있어서, 하부에서의 최소의 면적으로 접촉 면적을 넓히며 상부에서는 후속 공정에 대한 공정 마진을 넓히기 위해 콘택되는 하부에 비해 그 상부의 면적이 큰 일명, 랜딩 플러그 콘택(Landing plug contact) 기술이 도입되어 통상적으로 사용되고 있다.
<종래기술>
이하, 전술한 랜딩 플러그 콘택 공정을 살펴 보는 바, 도 1a 내지 도 1d는 종래기술에 따른 랜딩 플러그 콘택 형성 공정을 도시한 단면도이다.
먼저 도 1a에 도시된 바와 같이, 반도체 장치를 이루기 위한 여러 요소 예컨대, 필드절연막과 웰 등이 형성된 반도체 기판(10) 상에 게이트 하드마스크(13)/게이트 전도막(12)/게이트 절연막(11)이 적층된 게이트전극 패턴(G1, G2)을 형성한다.
게이트 절연막(11)은 실리콘 산화막 등의 통상적인 산화막 계열의 물질막을 이용하고, 게이트 전도막(12)은 통상 폴리실리콘, W, WN, WSix 또는 이들의 조합된 형태를 이용한다.
게이트 하드마스크(13)는 후속 콘택 형성을 위한 식각 공정 중 층간절연막을 식각하여 콘택홀을 형성하는 과정에서 게이트 전도막(12)을 보호하기 위한 것으로서, 층간절연막과 식각 속도가 현저하게 차이나는 물질을 사용한다. 예컨대, 층간절연막으로 산화막 계열을 사용할 경우에는 실리콘 질화막(SiN) 또는 실리콘 산화질화막(SiON) 등의 질화막 계열의 물질을 사용하고, 층간절연막으로 폴리머계 저유전율막을 사용할 경우에는 산화막 계열의 물질을 사용한다.
게이트전극 패턴(G1, G2) 사이의 기판(10)에 소스/드레인 접합 등의 불순물 확산영역(14)을 형성한다.
통상, 이온주입을 통해 게이트전극 패턴(G1, G2) 사이에 소스/드레인 접합 영역을 형성하는 경우 게이트전극 패턴(G1, G2)에 얼라인되도록 이온주입을 통해 기판(10)에 불순물을 주입시킨 다음, 게이트전극 패턴(G1, G2) 측벽에 스페이서를 형성하고 다시 이온주입을 실시하여 LDD(Lightly Doped Drain) 구조가 되도록 하는 바, 여기서는 LDD 구조 및 스페이서 형성 공정을 생략하였다.
게이트전극 패턴(G1, G2)이 형성된 전면에 후속 자기정렬콘택(Self Align Contact; 이하 SAC 이라 함) 방식을 이용한 식각 공정에서 기판(10)의 어택을 방지하기 위해 식각 멈춤 역할을 하는 식각정지막(15)을 형성한다. 이 때, 게이트전극 패턴(G1, G2)의 프로파일을 따라 식각정지막(15)이 형성되도록 하는 것이 바람직하며, 질화막 계열의 물질막을 이용한다.
다음으로 도 1b에 도시한 바와 같이, 식각정지막(15)이 형성된 전체 구조 상부에 산화막 계열의 층간절연막(16)을 형성한다.
한편, 층간절연막(16)으로는 식각 내성과 갭-필링 등의 특성 등이 우수한 BPSG(Boro-Phopho-Silicate-Glass)막을 이용한다.
이어서, 층간절연막(16) 상에 LPC 형성을 위한 포토레지스트 패턴(17)을 형성한다. 포토레지스트 패턴(17)과 층간절연막(16) 사이에 통상 반사방지막을 사용하나 여기서는 설명의 간략화를 위해 생략하였다.
계속해서 도 1c에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 패턴(17)을 식각마스크로 층간절연막(16)과 식각정지막(15)을 식각하여 이웃하는 두 게이트전극 패턴(G1, G2) 사이의 불순물 확산영역(14)을 노출시키는 콘택홀(18)을 형성한다.
전술한 콘택홀(18) 형성 공정은 대체적으로, 층간절연막(16)과 게이트 하드마스크(13)의 식각선택비를 이용한 SAC 식각 공정으로 통상 포토레지스트 패턴(16)을 식각마스크로 층간절연막(16)을 식각하여 식각정지막(15)에서 식각 멈춤을 하는 식각 공정과 식각정지막(15)을 제거하여 기판(10, 구체적으로는 불순물 확산영역(14))을 노출시키는 공정과 콘택홀(18)의 개구부를 확장하며 식각 잔류물을 제거하기 위한 세정 공정 등으로 나뉜다. 이러한 식각 공정에서는 주로 CF4 등의 CxFy(x,y는 1 ∼ 10) 가스와 CH2F2 등의 CaHbFc(a,b,c는 1 ∼ 10) 가스를 혼합하여 사용한다.
한편, 고집적화에 따라 게이트전극 패턴(G1, G2)의 수직 높이가 증가하고, 이에 따라 증가한 식각 타겟에 해당한 만큼 SAC 식각시 식각 가스의 과도한 사용과 식각 시간의 증가가 불가피하다. 이는 결국 도 1c의 도면부호 '19'와 같이 게이트 하드마스크(13)의 손실을 초래하게 된다.
애싱(Ashing) 공정을 통해 포토레지스트 패턴(17)을 제거하는 바, 반사방지막으로 유기 계열의 물질을 사용할 경우 이러한 애싱 공정에서 포토레지스트 패턴(17)과 같이 제거된다.
계속해서, 도 1d에 도시된 바와 같이, 콘택홀(18)이 형성된 전면에 플러그 형성용 전도성 물질을 증착하여 콘택홀(18)을 충분히 매립시킨 다음, 게이트 하드마스크(13)가 노출되는 타겟으로 평탄화 공정을 실시하여 콘택홀(18)을 통해 불순물 확산영역(14)과 전기적으로 도통되며 게이트 하드마스크(13)와 상부가 평탄화된 플러그(20)를 형성한다.
플러그(20) 형성용 전도성 물질막으로 가장 많이 사용되는 물질은 폴리실리콘이며, Ti, TiN 등의 배리어메탈층과 적층하여 형성하기도 하며, 텅스텐 등을 사용하기도 한다.
한편, 전술한 도 1c에서 SAC 공정시 게이트 하드마스크(13)이 손실되므로 인해 플러그(20)과 게이트 전도막(12) 사이의 절연 특성이 열화될 뿐만아니라, 게이트 하드마스크(13)의 손실이 심하게 발생하여 게이트 전도막(12)이 노출될 경우 도면부호 '21'과 같이 플러그(20)와 게이트 전도막(12) 사이의 전기적 단락 현상이 발생하게 된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 반도체 소자의 고집적화에 따라 LPC 형성 공정에서 게이트 하드마스크(13)의 손실은 불가피하다. 또한, 고해상도를 구현하기 위해 포토레지스트 패턴의 두께 또한 감소해야 하므로 이로 인해 식각 공정에서 포토레지스트 패턴의 마스크로서의 기능이 현저히 감소하게 되었다. 따라서, 이를 극복하기 위해 포토레지스트 패턴(반사방지막을 사용할 경우 반사방지막)과 피식각층 사이에 하드마스크를 사용하는 기술이 도입되었으며, KrF(불화크롬) 또는 ArF 등의 레이저를 노광원으로 사용하는 포토리소그라피 공정에서 폭넓게 사용되고 있으며, 이러한 하드마스크용 물질로 연구 및 사용되어지고 있는 것은 텅스텐과 폴리실리콘 또는 질화막이다.
ArF용 포토레지스트는 아직까지 상용화 되어 있는 것으로는 COMA(CycloOlefin-Maleic Anhydride) 또는 아크릴레이드(Acrylate) 계통의 폴리머 형태, 또는 이들의 혼합 형태를 포함하고 있다.
하지만, 주지된 바와 같이 ArF 노광원을 이용한 포토리소그라피 공정에서는 미세화에 적합하다는 장점이 있지만, KrF 포토리소그라피 공정 기술 등에 비해 여러가지 단점이 존재한다.
도 2는 CD 감소에 따른 패턴의 무너지는 현상과 ArF 포토레지스트 패턴의 변형을 도시한 SEM(Scanning Electron Microscopy) 사진이다.
도 2를 참조하면, LPC 형성을 위한 바형의 ArF 포토레지스트 패턴(P1)의 CD가 화살표 방향으로 감소함에 따라 도시된 'X'와 같이 무너져(Pattern collapse) 소자 결함을 유발함을 알 수 있다.
또한, ArF 포토리소그라피 공정을 적용한 LPC 형성 공정에서 패턴(P2)을 형성하기 위해 식각공정을 진행할 때 스트라이에이션(Striation)이 일어났음을 알 수 있으며, 이는 LPC 형성을 위한 식각 공정에서 주로 사용되는 불소계 가스에 대한 약한 식각 내성으로 인해 발생되는 전술한 ArF용 포토레지스트의 특성에 기인한 것으로, CD가 감소함에 따라 더욱 심하게 발생할 수 알 수 있다.
도 3은 ArF 포토리소그라피 공정을 적용한 바형 패턴의 변형을 도시한 SEM 사진이으로, 도시된 'Y'와 같이 패턴의 변형이 심화되었음을 알 수 있다.
전술한 바와 같이 CD 감소 및 ArF 공정 등에서는 피식각층과 포토레지스트 패턴(구체적으로는 반사방지막) 사이에 하드마스크를 사용하는 것이 보편화되었다.
<개선된 종래기술>
텅스텐을 하드마스크로 사용하는 경우의 공정을 간략히 살펴 보면, 게이트전극 패턴이 형성된 전면에 식각정지막과 층간절연막을 형성한 다음, 층간절연막 상에 텅스텐막을 증착하고 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 텅스텐막을 식각하여 텅스텐 하드마스크를 형성한 다음, 포토레지스트 패턴을 제거하고 텅스텐 하드마스트를 식각마스크로 피식각층인 층간절연막과 식각정지막을 식각한 다음, 텅스텐 하드마스크를 제거하고 세정 공정을 실시한 후, 플러그 형성용 물질을 증착하고 평탄화 공정을 통해 플러그를 형성함으로써 LPC 공정을 완료한다.
이렇듯 텅스텐 또는 폴리실리콘을 하드마스크 사용함으로써, 포토레지스트의 두께를 낮출 수 있어 노광시의 광 감응성을 높임은 물론 ArF 공정의 고질적인 문제인 패턴의 변형과 LPC 공정시의 문제인 게이트 하드마스크의 손실 및 콘택 면적의 축소 등의 문제를 해결할 수 있었다.
그러나, 텅스텐과 폴리실리콘은 모두 전도성 물질이므로 이를 제거하는 공정이 필수적으로 필요할 뿐만아니라, SAC 식각 공정시 이러한 전도성 물질을 식각하는 공정과 절연성인 층간절연막을 식각하는 공정은 서로 다른 챔버에서 실시하여야 하므로 공정 시간이 많이 걸리며, 이동에 따른 파티클(Particle)로 인한 오염이라는 부수적인 문제를 야기하게 되는 바, 이러한 문제점들은 SAC 식각 공정가 같은 음극 패턴 형성 공정 뿐만아니라 게이트전극 패턴, 비트라인 또는 금속배선 등의 양극 패턴 형성 공정에서도 동일한 문제점을 야기시킨다.
아울러, LPC 공정의 경우에는 콘택홀 형성 후, 최근 많이 사용하고 있는 선택적 에피택셜 성장(Selective Epitaxial Growth; 이하 SEG라 함)과 같이 노출된 실리콘 기판 및 절연성 막(즉, 층간절연막)의 선택성을 이용하여 플러그용 물질을 성장시키는 기술에서는 적용하기에 부적절하다. 이는 텅스텐과 폴리실리콘은 기판과 선택성을 가지지 않기 때문이다.
따라서, 텅스텐 또는 폴리실리콘의 사용으로 인한 문제점을 극복하기 위해 질화막을 하드마스크로 적용하였는 바, 도 4a 내지 도 4f는 개선된 종래기술에 따른 ArF 노광원을 이용한 반도체소자의 패턴 형성 공정을 도시한 단면도로서, 이를 참조하여 상세히 설명한다.
먼저 도 4a에 도시된 바와 같이, 반도체 장치를 이루기 위한 여러 요소 예컨대, 필드절연막과 웰 등이 형성된 반도체 기판(50) 상에 게이트 하드마스크(53)/게이트 전도막(52)/게이트 절연막(51)이 적층된 게이트전극 패턴(G1, G2)을 형성한다.
게이트 절연막(51)은 실리콘 산화막 등의 통상적인 산화막 계열의 물질막을 이용하고, 게이트 전도막(52)은 폴리실리콘, 텅스텐(W), 텅스텐 질화막(WNx), 텅스텐 실리사이드(WSix) 등의 단독 또는 이들의 조합된 형태를 이용한다.
게이트 하드마스크(53)는 후속 콘택 형성을 위한 식각 공정 중 층간절연막을 식각하여 콘택홀을 형성하는 과정에서 게이트 전도막(52)이 어택받는 것을 방지하기 위한 것으로서, 층간절연막과 식각 속도가 현저하게 차이나는 물질을 사용한다. 예컨대, 층간절연막으로 산화막 계열을 사용할 경우에는 실리콘 질화막(SiN) 또는 실리콘 산화질화막(SiON) 등의 질화막 계열의 물질을 사용하고, 층간절연막으로 폴리머계 저유전율막을 사용할 경우에는 산화막 계열의 물질을 사용한다.
게이트전극 패턴(G1, G2) 사이의 기판(50)에 소스/드레인 접합 등의 불순물 확산영역(54)을 형성한다.
이온주입을 통해 게이트전극 패턴(G1, G2) 사이에 소스/드레인 접합 영역을 형성하는 경우, 통상 게이트전극 패턴(G1, G2)에 얼라인되도록 이온주입을 통해 기판(50)에 불순물을 주입시킨 다음, 게이트전극 패턴(G1, G2) 측벽에 스페이서를 형성하고 다시 이온주입을 실시하여 LDD 구조가 되도록 하는 바, 여기서는 LDD 구조 및 스페이서 형성 공정을 생략하였다.
게이트전극 패턴(G1, G2)이 형성된 전면에 후속 SAC 식각 공정에서 기판(50)의 어택을 방지하기 위해 식각 정지 역할을 하는 식각정지막(55)을 형성한다. 이 때, 게이트전극 패턴(G1, G2)의 프로파일을 따라 식각정지막(55)이 형성되도록 하는 것이 바람직하며, 식각정지막(55)으로는 실리콘질화막 또는 실리콘산화질화막 등의 질화막 계열의 물질막을 이용한다.
다음으로 도 4b에 도시한 바와 같이, 식각정지막(55)이 형성된 전체 구조 상부에 산화막 계열의 층간절연막(56)을 형성한다.
층간절연막(56)을 산화막 계열의 물질막으로 이용할 경우에는 BSG막, BPSG막, PSG막, TEOS막, HDP 산화막 또는 SOG막 등을 이용하며, 산화막 계열 이외에 무기 또는 유기 계열의 저유전율막을 이용할 수 있다.
이어서, 층간절연막(56) 상에 절연성 물질이면서도 층간절연막(56)과의 식각선택비를 갖어 하드마스크 재료로 사용되는 하드마스크용 질화막(57)을 형성한다. 하드마스크용 질화막(57)은 플라즈마 화학기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방식을 이용한 질화막 일명, PE-질화막 또는 저압 화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 방식을 이용한 질화막 일명, LP-질화막을 사용하는 것이 바람직하며, 그 증착 두께는 후속 층간절연막(56)을 SAC 식각시 발생하는 손실량과 식각정지막(55)을 식각하여 불순물 확산영역(54)을 노출할 때 손실되는 양을 모두 고려하여(두 손실되는 양을 합하여) 식각정지막(55) 식각시 인-시튜로 자연스럽게 제거될 수 있을 정도 또는 그 이상으로 하는 것이 바람직하다.
하드마스크용 질화막(57) 상에 패턴 형성을 위한 노광시 하부 즉, 하드마스크용 질화막(57)의 광반사도가 높임으로써 난반사가 이루어져 원하지 않는 패턴이 형성되는 것을 방지하며, 하드마스크용 질화막(57)과 후속 포토레지스트의 접착력을 향상시킬 목적으로 반사방지막(58)을 형성한다.
여기서, 반사방지막(58)은 포토레지스트와 그 식각 특성이 유사한 유기 계열(Organic)의 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 한편, 반사방지막(58)을 사용하는 것을 공정에 따라서는 생략할 수도 있다.
이어서, 반사방지막(58) 상에 ArF 노광원용의 포토레지스트를 스핀 코팅 등의 방법을 통해 적절한 두께로 도포한 다음, ArF 노광원과 콘택홀의 폭을 정의하기 위한 소정의 레티클(도시하지 않음)을 이용하여 포토레지스트의 소정 부분을 선택적으로 노광하고, 현상 공정을 통해 노광 공정에 의해 노광되거나 혹은 노광되지 않은 부분을 잔류시킨 다음, 후세정 공정 등을 통해 식각 잔유물 등을 제거함으로써 LPC 형성을 위한 포토레지스트 패턴(59)을 형성한다.
도 4b에서는 LPC 형성을 위해 콘택홀이 형성된 영역(C/T)을 정의하는 포토레지스트 패턴(59)이 형성된 공정 단면을 나타낸다.
한편, 텅스텐 또는 폴리실리콘을 하드마스크용 물질로 사용하는 방식에서는 이들 자체의 반사도가 높아 오버래이(Over-lay)를 읽는데에 큰 문제점을 드러내어 마스크 정렬시 별도의 얼라인 키 오픈 공정이 필요하였으나, 질화막의 경우 텅스텐과 폴리실리콘에 비해 반사도가 매우 낮으므로 마스크 정렬시 큰 어려움이 없다.
패턴 형성을 위한 포토레지스트의 두께는 얇은 하드마스크용 질화막(57)을 식각하는 정도의 두께만이 필요하므로 하드마스크를 사용하지 않거나 또는 폴리실리콘이나 텅스텐 하드마스크를 사용하는 경우에 비해 얇은 두께의 포토레지스트를 사용하여도 무방하며, 이는 패턴 형성시의 디파인(Define) 능력을 향상시키게 되어 패턴의 무너지는 현상이 없이 미세한 미세한 패턴의 형성을 가능하게 한다.
계속해서, 도 4c에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 패턴(59)을 식각마스크로 반사방지막(58)과 하드마스크용 질화막(57)을 식각하여 하드마스크(57a)를 형성한다.
애싱 공정을 통해 포토레지스트 패턴(59)을 제거하는 바, 반사방지막(58)으로 유기 계열의 물질을 사용할 경우 이러한 애싱 공정에서 포토레지스트 패턴(59)과 같이 제거된다. 애싱 공정은 통상의 포토레지스트 스트립(Photoresist strip) 장치에서 실시하는 포토레지스트 스트립 공정 또는 O2 플라즈마 처리를 포함한다.
한편, 포토레지스트 패턴(59)이 잔류할 경우 후속 SAC 식각 공정에서 패턴 불량을 초래할 수 있으므로 제거해야 한다.
계속해서 도 4d에 도시된 바와 같이, 하드마스크(57a)를 식각마스크로 피식각층인 층간절연막(56)을 식각하여 이웃하는 두 게이트전극 패턴(G1, G2) 사이의 식각정지막(55)을 노출시키는 SAC 식각 공정(60)을 실시하여 콘택홀(61)을 형성한다.
이 때, 층간절연막(56)의 식각은 포토레지스트 패턴의 변형을 고려하지 않아도 되므로 하드마스크(57a)와의 선택비를 극대화시키고 콘택홀(61)의 저면 CD를 충분히 확보하는 SAC 고유의 특성을 갖는 레시피를 적용한다.
게이트 하드마스크(53) 손실의 대폭 축소로 인해 후속 식각정지막(55) 식각에서 발생하는 약 300Å 정도의 게이트 하드마스크(53)의 손실을 더하더라도 종래의 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 SAC 공정을 실시하는 경우에 비해 개선된다. 이는 추가로 USG막 등을 이용하여 게이트전극 패턴(G1, G2) 상부에 캡핑층을 형성하여 게이트 하드마스크(53)를 보호할 필요가 없도록 한다. 즉, 캡핑층의 형성 공정을 생략할 수 있도록 한다.
캡핑층 형성 공정의 생략은 공정 단순화의 측면도 있지만, 캡핑층 형성시 콘택홀 내부에 증착되는 불규칙한 두께로 인해 콘택 오픈을 위한 식각정지막(55) 식각 공정시 주로 발생하는 콘택 낫 오픈 현상을 방지할 수 있게 한다. 실제로 캡핑층을 적용하고 있는 100nm 정도의 최소 선폭을 갖는 디바이스의 경우 캡핑층 공정 제어의 실패(Control fail)가 자주 발생하고 있으며, 이를 해결하기 위해 캡핑층의 두께 및 습식 세정(Wet cleaning) 공정에 세심한 제어가 요구된다.
또한, 디자인 룰(Design rule)이 더욱 작아지는 80nm 이하의 디바이스에서는 캡핑층 형성 공정이 오버-행(Over-hang) 등의 문제가 발생하여 실제 공정에 적용이 불가능하다. 따라서, 80nm 이하의 디바이스에서는 캡핑층의 생략이 필수적이라 할 수 있다.
이어서, 도 4e에 도시된 바와 같이, 식각정지막(55)을 제거하여 기판(50, 구체적으로는 불순물 확산영역(54))을 노출시킨다.
식각정지막(55)의 식각은 도면부호 '62'와 같이 블랭킷 식각(Blanket etch)을 이용하며, 이 때 콘택홀(61) 저면의 식각정지막(55)의 게거되는 양과 거의 동일한 약 300Å 정도의 게이트 하드마스크(53)가 손실되어 총 600Å ∼ 700Å 정도의 게이트 하드마스크(53)의 손실이 발생하게 된다.
절연성인 질화막을 하드마스크(57a)로 사용함으로 인해 일련의 LPC 형성 공정을 동일한 장비에서 인-시튜로 진행하는 것이 가능하다. 예를 들면, 포토레지스트 스트리퍼가 장착된 투 챔버 바디(Two chamber body)의 경우 ArF 포토리소그라피 공정에 의해 하드마스크용 질화막을 식각하여 하드마스크를 형성한 후 포토레지스트 스트립 공정을 진행하고, 다른 챔버에서 SAC 식각 공정과 식각정지막 식각 공정을 실시하는 것이 가능하다.
이는 폴리실리콘 또는 텅스텐 등의 도전성 물질을 하드마스크로 사용하는 경우 도전성 하드마스크를 식각하기 위해 서로 다른 장비를 오가며 식각해야 하는 단점을 해결할 수 있으며, 양산 적용시 TAT(Turn Around Time) 단축에 큰 도움이 될 수 있다.
계속해서, 도 4f에 도시된 바와 같이, 콘택홀(61)이 형성된 기판(50) 전면에 플러그 형성용 전도성 물질을 증착하여 콘택홀(61)을 충분히 매립시킨 다음, 게이트 하드마스크(33)가 노출되는 타겟으로 평탄화 공정을 실시하여 콘택홀(61)을 통해 불순물 확산영역(54)과 전기적으로 도통되며 게이트 하드마스크(53)와 상부가 평탄화된 플러그(63)를 형성한다.
평탄화 공정으로는 먼저 화학기계적연마(Chemical Mechanical Polishing; 이하 CMP라 함)를 위해 메모리의 셀영역과 주변회로영역의 단차를 감소시키기 위해 플러그 물질에 대한 에치백(Etchback) 공정을 실시한다. 한편, 주변회로영역 상부에 하드마스크(57a)가 남아 있도록 할 수 있는 바, 이는 하드마스크용 질화막의 증착 두께를 조절하여 주변회로영역에 보다 두껍게 증착되도록 하거나, 또는 식각정지막(55) 제거시 블랭킷 식각을 실시하지 않고 셀영역 만을 오픈 시키는 마스크(셀 오픈 마스크)를 이용하여 식각정지막을 제거함으로써 주변회로영역에서 하드마스크(57a)가 남도록 할 수 있다.
주변회로영역에서 하드마스크(57a)가 남도록 하는 이유는 후속 CMP 공정 진행 중 셀영역과 주변회로영역 간의 패턴 밀도 차에 의해 주변회로영역에 격리된(Isolated) 패턴 예컨대, 게이트전극 패턴 등에 발생할 수 있는 어택을 방지하기 위함이다. 실제로 주변회로영역에 하드마스크(57a)를 잔존시켜 CMP 공정을 진행한 결과 주변회로영역에서의 게이트전극 패턴에 대한 어택을 방지할 수 있어 CMP 공정의 마진을 높일 수 있다.
이어서, CMP 공정을 통해 평탄화시 연마 타겟을 꼭 게이트 하드마스크(53)로 맞출 필요없이 사용되는 마스크 패턴의 종류에 따라 층간절연막(56)이 일부가 남도록 할 수도 있다.
플러그(63) 형성용 전도성 물질막으로 가장 많이 사용되는 물질은 폴리실리콘이며, Ti, TiN 등의 배리어메탈층과 적층하여 형성하기도 하며, 텅스텐 등을 사용하기도 한다.
최근에는 플러그(63)를 형성할 때 전술한 증착 공정 이외에 SEG 공정 또한 많이 적용된다.
하드마스크(57a)로 절연성인 질화막을 사용함으로 인해 SEG 방식의 플러그(63) 형성 공정에서 폴리실리콘 증을 증착하는 방식은 물론 SEG 등의 성장 방식을 적용할 수 있다. 텅스텐 또는 폴리실리콘을 하드마스크(57a)로 사용하는 경우에는 SEG 방식을 적용할 경우 노출된 기판(50)의 불순물 확산영역(54)과 하드마스크(57a)와의 선택성이 상실되어 하드마스크(57a)에서도 실리콘이 성장하는 문제가 발생하므로 종래의 경우 SEG 공정을 적용하기 전에 반드시 하드마스크(57a)를 제거해야만 하므로 공정상의 번거로움이 있었다. 그러나, 질화막을 하드마스크(57a)로 사용함으로 인해 SEG 공정을 적용하더라도 반드시 하드마스크(57a)를 제거할 필요가 없다. 따라서, 80nm는 물론 그 이하의 공정에 까지 플러그 형성 공정에 상관없이 적용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 부수적으로 플러그 물질의 증착 방식을 이용하는 종래의 경우에는 층간절연막(56)의 프로파일에 의존하여 플러그 심(Seam)이 발생하였으나, 개선된 종래기술에서는 하드마스크(57a)를 이용하여 층간절연막(56)의 프로파일을 개선함으로써 플러그 심 발생을 방지할 수 있다. 이는 종래에는 캡팅층의 증착과 습식 세정으로 층간절연막(56)의 프로파일이 플러그 물질의 증착 가정에서 심을 유발하였던 것과는 달리 개선된 종래기술에서는 층간절연막(56)의 프로파일이 약간의 양의 경사(Positive slope)를 갖게 되어 심 발생을 억제하기 때문이다.
한편, 전술한 바와 같이 하드마스크의 두께를 SAC 식각시의 손실되는 두께 및 식각정지막 제거시의 손실되는 두께 정도로 산정하는 것이 바람직하나, 실제 공에서는 이를 정확하게 제어하는 것이 사실상 어려우므로, 일반적으로 하드마스크를 더 두껍게 형성하고 식각정지막 제거 후 잔류하는 하드마스크는 플러그 격리를 위한 평탄화 공정에서 제거한다
이렇듯, 식각정지막 제거 후에 잔류하는 하드마스크는 콘택 저면의 CD 확보를 위해 실시하는 습식의 세정 공정(Wet cleaning)에서 문제를 일으키게 된다.
도 5는 습식 세정 공정 후 발생하는 하드마스크의 리프팅 현상을 설명하기 위한 SEM 사진이다.
도 5를 참조하면, 복수의 게이트전극 패턴(G1 ∼ G4)이 일정 간격으로 배치되어 있고, 게이트전극 패턴(G1 ∼ G4)과 교차하는 방향으로 라인 형태의 LPC 형성을 위한 마스크 패턴(P1 ∼ P4)이 배치되어 있다. 마스크 패턴(P1 ∼ P4)은 층간절연막과 하드마스크가 적층된 구조이며, 마스크 패턴(P1 ∼ P4)을 이용한 SAC 및 식각정지막 식각 후 게이트전극 패턴(G1 ∼ G4) 사이에 복수의 콘택홀이 형성되어 있는 바, 비교적 작은 사이즈는 후속 스토리지노드 콘택을 위한 콘택홀(SNC)을 나타내고, 콘택홀(SNC)에 비해 비교적 큰 사이즈는 후속 비트라인 콘택을 위한 콘택홀(BLC)을 나타낸다.
그러나, SNC 및 BLC 등의 콘택홀을 형성하고 플러그 형성용 물질막을 증착 또는 성장 전에 실시하는 BOE(Buffered Oxide Etchant) 등의 습식 용액을 이용한 세정 공정에서 잔류하는 하드마스크와 층간절연막 사이의 비교적 취약한 계면에서 분리 현상이 발생하게 된다.
두 막질간의 분리로 인해 하드마스크가 리프팅(Lifting)되는 현상이 발생하는 바, 도 5의 우측 하단부분의 'HM'은 리프팅된 하드마스크를 나타낸다. 하드마스크의 리프팅 현상은 특히 메모리 소자의 경우 주변회로영역에서 하드마스크를 잔류시키는 경우 더욱 빈번하게 발생한다.
층간절연막으로는 BPSG막이 주로 사용되고 있으나, BPSG막은 하드마스크와의 계면 특성이 열악하여 세정시 하드마스크가 리프팅되는 현상이 주로 발생한다.
도 6은 BPSG막과 APL(Advanced Planarization Layer)막의 세정 공정 후의 하드마스크와의 계면 상태를 비교한 단면도이다.
도 6의 (a)를 참조하면, BPSG막(100a)이 SAC 식각 공정에 의해 도면부호 '130'과 같이 식각되어 있으며, BPSG막(100a) 상부에는 하드마스크(110a)가 형성되어 있다. BPSG막(100a)은 전술한 바와 같이 하드마스크 물질로 사용되는 질화막 또는 폴리실리콘 등과의 계면이 도시된 '120'과 같이 약하여(Weak interface) SAC 식각 및 식각정지막 제거 후 실시하는 세정 공정에서 하드마스크의 리프팅 현상이 발생하게 된다.
도 6의 (b)를 참조하면, APL막(100b)이 SAC 식각 공정에 의해 도면부호 '130'과 같이 식각되어 있으며, APL막(100b) 상부에는 하드마스크(110b)가 형성되어 있다. APL막(100b)은 BPSG막(100a)에 비해 하드마스크 물질로 사용되는 질화막 또는 폴리실리콘 등과의 계면이 양호하여 SAC 식각 및 식각정지막 제거 후 실시하는 세정 공정에서 하드마스크의 리프팅 현상이 발생하지 않는다.
한편, APL막은 좁은 스페이서에 갭-필할 경우 자체의 물질 특성에 의해 미세 기공(Nano porous)을 형성하게 되고, 이로 인해 콘택 낫 오픈 현상을 발생시키거나 또는 콘택 저항을 증가시키기 되며, 아울러 생산 단가를 증가시키므로 층간절연막으로 APL막에 비해 BPSG막을 주로 사용한다.
한편, 이러한 하드마스크의 리프팅 현상은 전술한 바형 패턴 이외에 T형 등의 패턴에도 발생한다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, BPSG막과 하드마스크 사이의 약한 계면 특성으로 인해 습식 세정 공정에서 발생하기 쉬운 하드마스크의 리프팅 현상을 방지할 수 있는 반도체 장치 제조 방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 기판 상에 이웃하는 복수의 도전패턴을 형성하는 단계; 상기 도전패턴이 형성된 프로파일을 따라 식각정지막을 형성하는 단계; 상기 식각정지막이 형성된 기판 전면에 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 층간절연막 상에 하드마스크용 물질막을 형성하는 단계; 상기 하드마스크용 물질막 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 상기 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 상기 하드마스크용 물질막을 선택적으로 식각하여 하드마스크를 형성하는 단계; 상기 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계; 상기 하드마스크를 식각마스크로 상기 이웃하는 도전패턴 사이의 상기 층간절연막을 식각하여 상기 식각정지막을 노출시키는 콘택홀을 형성하는 단계; 상기 콘택홀 저면에서의 상기 식각정지막을 제거하여 상기 기판을 노출시키는 단계; 상기 콘택홀이 형성된 토포로지를 따라 적어도 상기 도전패턴 상부를 덮도록 평탄화된 희생막을 형성하는 단계; 블랭킷 식각을 통해 상기 하드마스크를 제거하는 단계; 상기 희생막을 선택적으로 제거하는 단계; 및 상기 콘택홀 내부를 세정하는 단계를 포함하는 반도체 장치 제조 방법을 제공한다.
본 발명은, SAC 식각 및 식각정지막 제거한 다음, 하드마스크만을 선택적으로 제거한 후 세정 공정을 실시함으로써, 세정 공정에 따른 BPSG막과 하드마스크 사이의 계면 특성에 의한 하드마스크의 리프팅 현상을 방지한다.
이를 위해, 콘택 오픈 공정 후 포토레지스트 또는 유기 계열의 반사방지막을 이용한 희생막을 콘택 형성 공정에 의해 형성된 토포로지를 따라 도전패턴(예컨대, 게이트전극 패턴의 게이트 하드마스크)을 덮을 정도로 평탄하게 도포한 다음, CF4 등의 불소계 가스를 이용하여 하드마스크를 제거한다. 이 때, 도전패턴 상부는 도포된 희생막에 의해 보호된다. 이어서, O2 플라즈마 등을 이용한 에치백 공정을 통해 희생막을 선택적으로 제거한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 7은 랜딩 플러그 콘택 형성을 위한 SAC 식각 공정이 완료된 레이아웃을 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 7을 참조하면, 웰 및 필드산화막 등과 같이 반도체 소자를 이루기 위한 여러 요소 들이 형성된 기판(도시하지 않음) 상에 복수의 게이트전극 패턴(G1 ∼ G4)이 일정 간격으로 배치되어 있으며, 게이트전극 패턴(G1 ∼ G4)과 교차하는 방향으로 복수의 바 형태(Bar-type)의 분리막 패턴(ISO1 ∼ ISO8)이 배치되어 있으며, 분리막 패턴(ISO1 ∼ ISO8)에 의해 서로 분리된 게이트전극 패턴(G1 ∼ G4) 사이에 복수의 콘택홀(C1 ∼ C7)이 형성되어 있다.
여기서, 콘택홀 'C1∼ C4'는 후속 공정에 의해 비트라인 콘택이 이루어질 영역이고, 콘택홀 'C5 ∼ C7'은 후속 공정에 스토리지노드 콘택이 형성될 영역이다.
이하의 실시예에서는 전술한 도 7의 평면도를 a-a' 및 b-b' 방향으로 절취한 단면을 예로 하여 공정을 설명한다.
도 8a 내지 도 8e는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체소자의 패턴 형성 공정을 도시한 단면도로서, 이를 참조하여 상세히 설명한다.
후술하는 본 발명의 일실시예에서는 반도체소자의 스페이스 패턴(Space pattern) 예컨대, 콘택홀 패턴 형성 공정을 그 일예로 하여 설명하는 바, 본 발명의 적용 대상이 되는 콘택홀 패턴은 금속배선 콘택과 비트라인 또는 캐패시터의 스토리지 노드 콘택을 위한 소스/드레인 접합 등의 기판 내의 불순물 접합층과의 콘택 및 콘택 패드 형성을 위한 공정 등에 적용이 가능하다.
먼저 도 8a에 도시된 바와 같이, 반도체 장치를 이루기 위한 여러 요소 예컨대, 필드절연막과 웰 등이 형성된 반도체 기판(80) 상에 게이트 하드마스크(83)/게이트 전도막(82)/게이트 절연막(81)이 적층된 게이트전극 패턴(G1, G2)을 형성한다.
게이트 절연막(81)은 실리콘 산화막 등의 통상적인 산화막 계열의 물질막을 이용하고, 게이트 전도막(82)은 폴리실리콘, 텅스텐(W), 텅스텐 질화막(WNx), 텅스텐 실리사이드(WSix) 등의 단독 또는 이들의 조합된 형태를 이용한다.
게이트 하드마스크(83)는 후속 콘택 형성을 위한 식각 공정 중 층간절연막을 식각하여 콘택홀을 형성하는 과정에서 게이트 전도막(82)이 어택받는 것을 방지하기 위한 것으로서, 층간절연막과 식각 속도가 현저하게 차이나는 물질을 사용한다. 예컨대, 층간절연막으로는 산화막 계열인 BPSG막을 사용하므로 실리콘 질화막(SiN) 또는 실리콘 산화질화막(SiON) 등의 질화막 계열의 물질을 사용한다.
게이트전극 패턴(G1, G2) 사이의 기판(80)에 소스/드레인 접합 등의 불순물 확산영역(84)을 형성한다.
이온주입을 통해 게이트전극 패턴(G1, G2) 사이에 소스/드레인 접합 영역을 형성하는 경우, 통상 게이트전극 패턴(G1, G2)에 얼라인되도록 이온주입을 통해 기판(80)에 불순물을 주입시킨 다음, 게이트전극 패턴(G1, G2) 측벽에 스페이서를 형성하고 다시 이온주입을 실시하여 LDD 구조가 되도록 하는 바, 여기서는 LDD 구조 및 스페이서 형성 공정을 생략하였다.
게이트전극 패턴(G1, G2)이 형성된 전면에 후속 SAC 식각 공정에서 기판(80)의 어택을 방지하기 위해 식각 정지 역할을 하는 식각정지막(85)을 형성한다. 이 때, 게이트전극 패턴(G1, G2)의 프로파일을 따라 식각정지막(85)이 형성되도록 하는 것이 바람직하며, 식각정지막(85)으로는 실리콘질화막 또는 실리콘산화질화막 등의 질화막 계열의 물질막을 이용한다.
이어서, 식각정지막(86)이 형성된 전체 구조 상부에 산화막 계열의 층간절연막(86)을 형성한다. 층간절연막(86)으로는 산화막 계열이면서 플로우 특성이 우수하고 제조 단가가 비교적 저렴한 BPSG막을 사용한다.
이어서, 층간절연막(86) 상에 절연성 물질이면서도 층간절연막(56)과의 식각선택비를 갖어 하드마스크 재료로 사용되는 하드마스크용 질화막(87)을 형성한다. 하드마스크용 질화막(87)은 플라즈마 화학기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방식을 이용한 질화막 일명, PE-질화막 또는 저압 화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 방식을 이용한 질화막 일명, LP-질화막을 사용하는 것이 바람직하며, 그 증착 두께는 후속 층간절연막(86)을 SAC 식각시 발생하는 손실량과 식각정지막(85)을 식각하여 불순물 확산영역(84)을 노출할 때 손실되는 양을 모두 고려하여(두 손실되는 양을 합하여) 식각정지막(85) 식각시 인-시튜로 자연스럽게 제거될 수 있을 정도의 이상으로 하는 것이 바람직하다.
한편, 여기서는 하드마스크용 물질로 질화막을 그 예로 하였으나, 이외에도 폴리실리콘 또는 텅스텐 등을 사용할 수 있다.
하드마스크용 질화막(87) 상에 패턴 형성을 위한 노광시 하부 즉, 하드마스크용 질화막(87)의 광반사도가 높임으로써 난반사가 이루어져 원하지 않는 패턴이 형성되는 것을 방지하며, 하드마스크용 질화막(87)과 후속 포토레지스트의 접착력을 향상시킬 목적으로 반사방지막(88)을 형성한다.
여기서, 반사방지막(88)은 포토레지스트와 그 식각 특성이 유사한 유기 계열(Organic)의 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
아울러, 본 실시예에서는 반사방지막(88)을 사용하는 것을 그 예로 하였으나, 공정에 따라서는 이를 생략할 수도 있다.
이어서, 반사방지막(88) 상에 포토레지스트를 스핀 코팅 등의 방법을 통해 적절한 두께로 도포한 다음, KrF, ArF 또는 F2 등의 노광원과 콘택홀의 폭을 정의하기 위한 소정의 레티클(도시하지 않음)을 이용하여 포토레지스트의 소정 부분을 선택적으로 노광하고, 현상 공정을 통해 노광 공정에 의해 노광되거나 혹은 노광되지 않은 부분을 잔류시킨 다음, 후세정 공정 등을 통해 식각 잔유물 등을 제거함으로써 LPC 형성을 위한 포토레지스트 패턴(89)을 형성한다.
도 8a에서는 LPC 형성을 위해 콘택홀이 형성된 영역(C/T)을 정의하는 포토레지스트 패턴(89)이 형성된 공정 단면을 나타낸다.
한편, 텅스텐 또는 폴리실리콘을 하드마스크용 물질로 사용하는 경우에는 이들 자체의 반사도가 높아 오버래이(Over-lay)를 읽는데에 문제점을 드러내어 마스크 정렬시 별도의 얼라인 키 오픈 공정이 필요하나, 질화막의 경우 텅스텐과 폴리실리콘에 비해 반사도가 매우 낮으므로 마스크 정렬시 큰 어려움이 줄어드는 장점이 있다.
패턴 형성을 위한 포토레지스트의 두께는 얇은 하드마스크용 질화막(87)을 식각하는 정도의 두께만이 필요하므로 하드마스크를 사용하지 않는 경우에 비해 얇은 두께의 포토레지스트를 사용하여도 무방하며, 이는 패턴 형성시의 디파인(Define) 능력을 향상시키게 되어 패턴의 무너지는 현상이 없이 미세한 미세한 패턴의 형성을 가능하게 한다.
이어서, 도 8b에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 패턴(89)을 식각마스크로 반사방지막(88)과 하드마스크용 질화막(87)을 식각하여 하드마스크(87a)를 형성한다.
ArF 등의 고해상도의 포토리소그라피 공정을 적용하는 경우 특히, 라인 형태의 질화막을 식각하여 패턴을 형성하는 것은 공정 레시피(Recipe)의 셋업이 극히 어려운 것 중의 하나에 속하는 바, 1000Å 이하의 질화막에 대해 공정 조건을 확보하는 것이 매우 중요하다.
이를 위해 우선 하드마스크용 질화막(87)을 식각하기 위해서는 스트라이에이션 및 패턴 변형에 유리한 레시피를 적용해야 하며, 그 특징은 전극의 온도가 낮고, 장비 내의 구조가 플라즈마 소스와 바이어스가 독립적으로 제어되며, 바이어스 파워가 극도로 낮아야 유리하게 된다.
이를 실험적으로 얻은 레시피는 TEL사의 SCCM 장비를 사용하였을 경우 '50mTorr의 챔버 내의 압력과 1000W의 소스 파워와 200W의 바이어스 파워와 20SCCM의 O2와 100SCCM의 CF4 및 0℃의 전극 온도'라는 레시피가 바람직함을 실험을 통해 얻을 수 있었다.
전술한 레시피는 유기 계열의 반사방지막(88)의 식각과 함께 하드마스크용 질화막(87)의 식각이 동시에 일어나게 하며, 도 8b의 하드마스크(87a) 구조를 실현하기 위해 중요하다. 또한, 이 때 식각 가스와 식각 시간의 제어를 통해 바형 패턴인 하드마스크(87a)의 임계치수(Critical Dimenson; 이하 CD 라 함)를 조절할 수 있어 후속 SAC 식각 공정을 통한 콘택홀 저면의 CD 확보를 위한 마진을 높일 수 있다.
애싱 공정을 통해 포토레지스트 패턴(89)을 제거하는 바, 반사방지막(88)으로 유기 계열의 물질을 사용할 경우 이러한 애싱 공정에서 포토레지스트 패턴(89)과 같이 제거된다. 애싱 공정은 통상의 포토레지스트 스트립(Photoresist strip) 장치에서 실시하는 포토레지스트 스트립 공정 또는 O2 플라즈마 처리를 포함한다.
한편, 포토레지스트 패턴(89)이 잔류할 경우 후속 SAC 식각 공정에서 패턴 불량을 초래할 수 있으므로 제거해야 한다.
계속해서 도 8c에 도시된 바와 같이, 하드마스크(87a)를 식각마스크로 피식각층인 층간절연막(86)을 식각하여 이웃하는 두 게이트전극 패턴(G1, G2) 사이의 식각정지막(85)을 노출시키는 SAC 식각 공정을 실시하여 콘택홀(90)을 형성한다.
이 때, 층간절연막(86)의 식각은 포토레지스트 패턴의 변형을 고려하지 않아도 되므로 하드마스크(87a)와의 선택비를 극대화시키고 콘택홀(90)의 저면 CD를 충분히 확보하는 SAC 고유의 특성을 갖는 레시피를 적용한다.
포토레지스트에 의한 카본(Carbon, C) 소스의 공급이 제한되는 이유로 통상의 SAC 레시피에 비해 높은 선택비를 갖는 가스의 사용이 필수적이며, 기존의 C4F8 보다는 C4F6 또는 C5F8 등의 CF2 래디컬(Radical)을 다량으로 발생시키는 가스를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 고선택비 사용에 따라 상대저으로 취약해지는 콘택 저면의 CD 확보를 위해 적절한 레시피의 설정이 요구된다. 설정된 레시피는 40℃ 정도의 높은 전극 온도를 사용하여 선택비를 개선시키고 O2를 첨가하여 콘택홀(90) 저면의 CD를 확보한다.
이를 실험적으로 얻은 SAC 레시피는 TEL사의 SCCM 장비를 사용하였을 경우 '40mTorr의 챔버 내의 압력과 500W의 소스 파워와 1200W의 바이어스 파워와 7SCCM의 C5F8과 800SCCM의 Ar과 5SCCM의 O2 및 40℃의 전극 온도'라는 레시피가 바람직함을 실험을 통해 얻을 수 있었다. 이 때 발생하는 게이트 하드마스크(83)의 손실은 약 350Å 정도로 종래의 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 하여 SAC 식각을 하는 경우에 발생하는 800Å ∼ 900Å의 손실에 비해 크게 개선되었음을 알 수 있다.
두 게이트전극 패턴(G1, G2) 사이의 식각정지막(85)은 SAC 식각 공정에서 식각되어 게이트전극 패턴(G1, G2) 측벽에서 도면부호 '85a'와 같이 스페이서 형태로 잔류하게 된다.
게이트 하드마스크(83) 손실의 대폭 축소로 인해 후속 식각정지막(85) 식각에서 발생하는 약 300Å 정도의 게이트 하드마스크(83)의 손실을 더하더라도 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 SAC 공정을 실시하는 경우에 비해 개선되었음을 알 수 있다. 이는 추가로 USG막 등을 이용하여 게이트전극 패턴(G1, G2) 상부에 캡핑층을 형성하여 게이트 하드마스크(83)를 보호할 필요가 없도록 한다. 즉, 캡핑층의 형성 공정을 생략할 수 있도록 한다.
캡핑층 형성 공정의 생략은 공정 단순화의 측면도 있지만, 캡핑층 형성시 콘택홀 내부에 증착되는 불규칙한 두께로 인해 콘택 오픈을 위한 식각정지막(85) 식각 공정시 주로 발생하는 콘택 낫 오픈 현상을 방지할 수 있게 한다. 실제로 캡핑층을 적용하고 있는 100nm 정도의 최소 선폭을 갖는 디바이스의 경우 캡핑층 공정 제어의 실패(Control fail)가 자주 발생하고 있으며, 이를 해결하기 위해 캡핑층의 두께 및 습식 세정(Wet cleaning) 공정에 세심한 제어가 요구된다.
또한, 디자인 룰(Design rule)이 더욱 작아지는 80nm 이하의 디바이스에서는 캡핑층 형성 공정이 오버-행(Over-hang) 등의 문제가 발생하여 실제 공정에 적용이 불가능하다. 따라서, 80nm 이하의 디바이스에서는 캡핑층의 생략이 필수적이라 할 수 있다.
이어서, 식각정지막(85)을 제거하여 기판(80, 구체적으로는 불순물 확산영역(84))을 노출시킨다.
식각정지막(85)의 식각은 블랭킷 식각(Blanket etch)을 이용하며, 이 때 콘택홀(90) 저면의 식각정지막(95)의 게거되는 양과 거의 동일한 약 300Å 정도의 게이트 하드마스크(83)가 손실되어 총 600Å ∼ 700Å 정도의 게이트 하드마스크(83)의 손실이 발생하게 된다.
도 8d에 도시된 바와 같이, 콘택홀(90)이 형성된 전면에 평탄화된 희생막(91)을 형성한다. 희생막(91)은 유기 계열의 반사방지막 또는 포토레지스트를 이용하는 바, 이들을 스핀 노팅 등의 방식으로 도포한 후 플로우시켜 토포로지가 낮은 부분인 콘택홀(90) 내부 부터 채우면서 게이트 하드마스크(83) 상부를 덮을 수 있도록 한다.
즉, 희생막(91)을 콘퍼멀(Conformal)하게 형성하지 않고 평탄하게(Planar) 형성한다. 하드마스크(83) 상부를 덮음으로써 후속 하드마스크(87a) 제거 공정에서 게이트 하드마스크(83)가 손실되는 것을 방지할 수 있다.
이어서, CF4 등의 불소계 가스를 이용한 블랭킷 식각 공정을 통해 하드마스크(87a)를 제거한다. 이 때, 희생막(91)에 의해 게이트 하드마스크(83) 등의 하부 구조는 식각 가스로부터의 어택이 방지된다.
이어서, O2 플라즈마를 이용한 에치백 공정을 통해 희생막(91)을 제거한다. 반사방지막을 유기 계열을 사용하므로 포토레지스트와 같이 O2 플라즈마에 의해 선택적으로 제거가 가능하고, 노출된 층간절연막(86)은 산화막 계열인 BPSG막이므로 O2 플라즈마에 의해 손실되지 않는다.
이어서, BOE 등의 습식 용액을 이용한 습식 세정 공정을 실시하여 SAC 식각과 식각정지막(85) 제거 및 희생막(91) 제거시 발생된 식각 부산물과 잔유물을 제거한다.
한편, 세정 공정 전에 실시하는 하드마스크(87a)를 제거하여 하드마스크(87a)와 층간절연막(86) 사이의 계면이 존재하지 않으므로 하드마스크(87a)의 리프팅 현상을 방지할 수 있다.
계속해서, 도 8e에 도시된 바와 같이, 콘택홀(90)이 형성된 기판(80) 전면에 플러그 형성용 전도성 물질을 증착하여 콘택홀(90)을 충분히 매립시킨 다음, 게이트 하드마스크(83)가 노출되는 타겟으로 평탄화 공정을 실시하여 콘택홀(90)을 통해 불순물 확산영역(84)과 전기적으로 도통되며 게이트 하드마스크(83)와 상부가 평탄화된 플러그(92)를 형성한다.
평탄화 공정으로는 먼저 CMP 공정 전에 메모리의 셀영역과 주변회로영역의 단차를 감소시키기 위해 플러그 물질에 대한 에치백 공정을 실시한다.
이어서, CMP 공정을 통해 평탄화 공정을 실시하는 바, 이 때 연마 타겟을 꼭 게이트 하드마스크(83)로 맞출 필요없이 사용되는 마스크 패턴의 종류에 따라 층간절연막(86)이 일부가 남도록 할 수도 있다.
플러그(92) 형성용 전도성 물질막으로 가장 많이 사용되는 물질은 폴리실리콘이며, Ti, TiN 등의 배리어메탈층과 적층하여 형성하기도 하며, 텅스텐 등을 사용하기도 한다.
최근에는 플러그(92)를 형성할 때 전술한 증착 공정 이외에 SEG 공정 또한 많이 적용된다.
전술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, SAC 식각 및 콘택 오픈 공정 후 실시하는 세정 공정 전에 하드마스크를 제거함으로써, BPSG막의 물리적 특성에 기인하여 BPSG막과 하드마스크 사이에서 갖는 열악한 계면 특성으로 인한 세정 공정에서의 하드마스크의 리프팅 발생을 방지할 수 있음을 실시예를 통해 알아 보았다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
예컨대, 전술한 본 발명의 실시예에서는 라인 타입의 SAC 공정만을 그 예로 하였으나, 이외에도 홀(Hole) 타입 또는 T 타입(T-type)의 SAC 공정에도 적용이 가능하며, 게이트전극 패턴 사이 뿐만아니라 비트라인 사이를 오픈시키는 공정(즉, 스토리지노드 콘택홀 형성 공정) 또는 비아 콘택 형성 공정 등 다양한 반도체 제조 공정에 적용이 가능하다.
상술한 바와 같은 본 발명은, 하드마스크와 층간절연막으로 사용되는 BPSG막 사이의 열악한 계면 특성으로 인한 세정 공정에서의 하드마스크의 리프팅 발생을 억제하여 소자 결함 확률을 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1a 내지 도 1d는 종래기술에 따른 랜딩 플러그 콘택 형성 공정을 도시한 단면도.
도 2는 CD 감소에 따른 패턴의 무너지는 현상과 ArF 포토레지스트 패턴의 변형을 도시한 SEM 사진.
도 3은 ArF 포토리소그라피 공정을 적용한 바형 패턴의 변형을 도시한 SEM 사진.
도 4a 내지 도 4f는 개선된 종래기술에 따른 ArF 노광원을 이용한 반도체소자의 패턴 형성 공정을 도시한 단면도.
도 5는 습식 세정 공정 후 발생하는 하드마스크의 리프팅 현상을 설명하기 위한 SEM 사진.
도 6은 BPSG막과 APL막의 세정 공정 후의 하드마스크와의 계면 상태를 비교한 단면도.
도 7은 랜딩 플러그 콘택 형성을 위한 SAC 식각 공정이 완료된 레이아웃을 개략적으로 도시한 평면도.
도 8a 내지 도 8e는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체소자의 패턴 형성 공정을 도시한 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
80 : 기판 81 : 게이트 절연막
82 : 게이트 전도막 83 : 게이트 하드마스크
84 : 불순물 확산영역 85, 85a: 식각정지막
86 : 층간절연막 87a : 하드마스크
91 : 희생막

Claims (12)

  1. 기판 상에 이웃하는 복수의 도전패턴을 형성하는 단계;
    상기 도전패턴이 형성된 프로파일을 따라 식각정지막을 형성하는 단계;
    상기 식각정지막이 형성된 기판 전면에 층간절연막을 형성하는 단계;
    상기 층간절연막 상에 하드마스크용 물질막을 형성하는 단계;
    상기 하드마스크용 물질막 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;
    상기 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 상기 하드마스크용 물질막을 선택적으로 식각하여 하드마스크를 형성하는 단계;
    상기 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계;
    상기 하드마스크를 식각마스크로 상기 이웃하는 도전패턴 사이의 상기 층간절연막을 식각하여 상기 식각정지막을 노출시키는 콘택홀을 형성하는 단계;
    상기 콘택홀 저면에서의 상기 식각정지막을 제거하여 상기 기판을 노출시키는 단계;
    상기 콘택홀이 형성된 토포로지를 따라 적어도 상기 도전패턴 상부를 덮도록 평탄화된 희생막을 형성하는 단계;
    블랭킷 식각을 통해 상기 하드마스크를 제거하는 단계;
    상기 희생막을 선택적으로 제거하는 단계; 및
    상기 콘택홀 내부를 세정하는 단계
    를 포함하는 반도체 장치 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 층간절연막은, BPSG(Boro Phospho Silicate Glass)막을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 희생막은, 포토레지스트 또는 유기 계열의 반사방지막을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 희생막을 제거하는 단계에서, O2 플라즈마를 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치 제조 방법/.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 콘택홀을 형성하는 단계에서, 자기정렬콘택 식각 공정을 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 도전패턴은 하드마스크 절연막/전도막 구조이며,
    상기 자기정렬콘택 식각시 손실되는 양과, 상기 식각정지막을 제거하는 단계에서 손실되는 양을 합한 것보다 큰 두께로 상기 하드마스크 절연막을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치 제조 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 자기정렬콘택 식각시 C4F6 또는 C5F8 가스를 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 식각정지막을 제거하는 단계에서, 블랭킷 식각을 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 세정하는 단계 후,
    상기 노출된 기판에 전기적으로 도통된 플러그를 형성하는 단계를 더 포함하며,
    상기 플러그를 형성하는 단계는,
    상기 노출된 기판에 도통되도록 플러그 형성용 물질을 형성하는 단계;
    상기 셀영역과 상기 주변회로영역의 단차를 줄이기 위해 증착된 상기 플러그 형성용 물질의 일부를 에치백하여 제거하는 단계; 및
    상기 도전패턴 상부가 노출되는 타겟으로 상기 플러그 형성용 물질을 연마하여 격리된 플러그를 형성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 플러그 형성용 물질을 형성하는 단계는,
    상기 기판 전면에 상기 플러그 형성용 물질을 증착하는 방식 또는 선택적 에피택셜 성장을 통해 상기 노출된 기판으로부터 성장시키는 방식을 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치 제조 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 포토레지스트 패턴은, 라인 타입 또는 홀 타입 또는 T 타입 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치 제조 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전패턴은 게이트전극 패턴, 비트라인 또는 금속배선 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치 제조 방법.
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