KR20060030720A - Method for forming of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 형성 방법에 관한 것으로, 종래의 기술에 따른 다마신 게이트(Damascene Gate)를 형성하는데 있어서는 ILD 산화막 CMP, 금속층 CMP 및 SAC 공정을 위한 질화막 CMP와 같은 3단계의 CMP 공정이 수행되어야 한다. 이때, ILD 산화막 및 금속층 CMP에는 적절한 슬러리가 존재하나 질화막 CMP의 경우 적절한 슬러리가 존재하지 않는 다는 문제를 해결하기 위하여, 상기 단계에서 사용되는 슬러리를 실리카 연마제 또는 실리카 연마제에 다른 첨가물을 사용한 산성 슬러리를 이용하여 상기 모든 단계의 CMP를 실행함으로써, 종래의 서로 다른 슬러리를 사용하는데 따른 불편함을 해결할 수 있으며, 특히 질화막 CMP의 경우 상용화할 수 있는 슬러리를 제공하는 기술이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a semiconductor device, wherein a three-step CMP process such as an ILD oxide CMP, a metal layer CMP, and a nitride film CMP for a SAC process is performed to form a damascene gate according to the prior art. Should be. At this time, in order to solve the problem that an appropriate slurry exists in the ILD oxide film and the metal layer CMP, but an appropriate slurry does not exist in the case of the nitride film CMP, the slurry used in the above step may be an acid slurry using a silica abrasive or another additive to the silica abrasive. By performing the CMP of all the steps using the above, it is possible to solve the inconvenience of using a different slurry of the prior art, in particular in the case of the nitride film CMP is a technology that provides a commercially available slurry.
Description
도 1a 내지 도 1i는 본 발명에 따른 반도체 소자의 형성 방법을 도시한 단면도.1A to 1I are cross-sectional views illustrating a method of forming a semiconductor device in accordance with the present invention.
도 2는 연마제의 함유량 변화에 따른 산화막 및 질화막에 대한 연마율을 나타낸 그래프.2 is a graph showing the polishing rate for the oxide film and the nitride film according to the change of the abrasive content.
도 3은 연마제의 함유량 변화에 따른 산화막 대 질화막의 식각선택비의 변화를 나타낸 그래프.3 is a graph showing the change in the etching selectivity of the oxide film to the nitride film according to the change of the abrasive content.
도 4는 DI수의 희석 비율에 따른 슬러리 pH의 변화를 나타낸 그래프.4 is a graph showing the change in slurry pH according to the dilution ratio of DI water.
도 5는 케미컬(Chemical) 첨가에 따른 슬러리의 역선택비를 나타낸 그래프.5 is a graph showing the reverse selectivity ratio of the slurry according to chemical addition.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 ><Explanation of Signs of Major Parts of Drawings>
10 : 반도체 기판 20 : 게이트 산화막10
30 : 폴리실리콘층 40 : 스페이서30
50 : ILD 산화막 60 : 다마신 게이트 영역50: ILD oxide layer 60: damascene gate region
70 : 게이트 유전 물질층 80 : 금속층 70 gate
90 : 질화막90: nitride film
본 발명은 반도체 소자의 형성 방법에 관한 것으로, 다마신 게이트(Damascene Gate)를 형성하는데 있어서 CMP 공정에 사용되는 슬러리를 모두 산성 슬러리를 사용하거나 산성 슬러리에 기능성 케미컬(Chemical)을 첨가하여 디싱을 방지하고 역선택비 구현이 용이한 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
도시되지는 않았으나 종래 기술에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 다음과 같다.Although not shown, a method of manufacturing a semiconductor device according to the related art is as follows.
반도체 기판에 LDD 구조의 소스/드레인 영역을 포함하고 게이트 산화막 및 폴리실리콘층으로 이루어진 게이트 구조물을 형성하고, 상기 반도체 기판 전면에 ILD 산화막을 형성한다. A gate structure including a source / drain region having an LDD structure and having a gate oxide layer and a polysilicon layer is formed on the semiconductor substrate, and an ILD oxide layer is formed over the semiconductor substrate.
다음에는, 제 1 슬러리를 이용한 CMP 공정으로 상기 ILD 산화막을 평탄화 식각하여 상기 폴리실리콘층을 노출시키고 상기 폴리실리콘층 및 게이트 산화막을 제거하여 다마신 게이트 영역을 형성한다. Next, the ILD oxide layer is planarized and etched by a CMP process using a first slurry to expose the polysilicon layer, and the polysilicon layer and the gate oxide layer are removed to form a damascene gate region.
그 다음에는, 게이트 유전 물질층 및 상기 다마신 게이트 영역을 매립하는 금속층을 순차적으로 형성하고, 제 2 슬러리를 이용한 CMP 공정으로 상기 금속층 및 게이트 유전물질층을 평탄화 식각하여 상기 ILD 산화막을 노출시킨다. Subsequently, a gate dielectric material layer and a metal layer filling the damascene gate region are sequentially formed, and the ILD oxide layer is exposed by planarization etching of the metal layer and the gate dielectric material layer by a CMP process using a second slurry.
마지막으로, 다마신 게이트 영역의 게이트 유전 물질층 및 금속층을 소정 깊이 식각하고, 상기 다마신 게이트 영역을 매립하는 질화막을 형성한 후, 상기 질화막을 제 3 슬러리를 이용한 CMP 공정을 수행하여 ILD 산화막및 게이트가 노출되도록 한다. Finally, the gate dielectric material layer and the metal layer of the damascene gate region are etched to a predetermined depth, a nitride film is formed to fill the damascene gate region, and the nitride film is subjected to a CMP process using a third slurry, thereby performing ILD oxide film and Allow the gate to be exposed.
이때, 제 1, 2 및 3 슬러리는 각각의 공정에 맞는 슬러리를 채택하여 사용하고 있으나, 각 공정에 맞는 완벽한 슬러리가 존재하지 않아 디싱(Dishing) 및 부식(Erosion) 작용이 발생하는 문제를 갖고 있다. 또한, 마지막 단계인 질화막 CMP 공정에서 제 3 슬러리의 경우 역선택비를 구현해야 하지만 상용화된 질화막 CMP용 슬러리는 존재하지 않는 문제가 있다.In this case, the first, second and third slurry is used by adopting a slurry for each process, but there is a problem that the dishing and corrosion action occurs because there is no perfect slurry for each process. . In addition, in the final step of the nitride film CMP process, the third slurry needs to implement a reverse selectivity, but there is a problem that the commercialized nitride film CMP slurry does not exist.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 상기 제 1, 2 및 3 슬러리를 각각 다른 종류가 아닌 동일한 산성 슬러리를 사용함으로써, 산화막의 디싱(Dishing) 방지 및 금속층의 식각도 쉽게 할 수 있으며 연마 속도도 증가시킬 수 있으며, 질화막 CMP 공정에서 역선택비를 구현이 용이하도록 할 수 있는 반도체 소자의 형성 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In order to solve the above problems, the present invention, by using the same acid slurry for each of the first, second and third slurry, not different kinds, it is possible to prevent dishing of the oxide film and to easily etch the metal layer, and also to improve the polishing rate. It is an object of the present invention to provide a method for forming a semiconductor device which can be increased and which can facilitate the reverse selection ratio in the nitride film CMP process.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 소자의 형성 방법은,Method for forming a semiconductor device according to the present invention for achieving the above object,
(a) 게이트 산화막, 폴리실리콘층 및 스페이서를 구비하는 게이트 구조물이 형성된 반도체 기판 상에 ILD 산화막을 형성하는 단계;(a) forming an ILD oxide film on a semiconductor substrate on which a gate structure including a gate oxide film, a polysilicon layer, and a spacer is formed;
(b) 실리카 연마제를 포함하는 슬러리를 이용한 CMP 공정으로 상기 ILD 산화막을 평탄화 식각하여 상기 폴리실리콘층을 노출시키는 단계;(b) exposing the polysilicon layer by planarizing etching the ILD oxide layer by a CMP process using a slurry containing silica abrasive;
(c) 상기 폴리실리콘층 및 게이트 산화막을 제거하여 다마신 게이트 영역을 형성하는 단계;(c) removing the polysilicon layer and the gate oxide layer to form a damascene gate region;
(d) 전체 표면 상부에 게이트 유전 물질층과, 상기 다마신 게이트 영역을 매 립하는 금속층을 순차적으로 형성하는 단계;(d) sequentially forming a gate dielectric material layer over the entire surface, and a metal layer filling the damascene gate region;
(e) 실리카 연마제를 포함하는 슬러리를 이용한 CMP 공정으로 상기 금속층 및 게이트 유전 물질층을 평탄화 식각하여 상기 ILD 산화막을 노출시키는 단계;(e) planarizing etching the metal layer and the gate dielectric material layer by a CMP process using a slurry containing silica abrasive to expose the ILD oxide layer;
(f) 상기 다마신 게이트 영역의 게이트 유전 물질층 및 금속층을 소정 깊이 식각하는 단계;(f) etching the gate dielectric material layer and the metal layer of the damascene gate region to a predetermined depth;
(g) 전체 표면 상부에 상기 다마신 게이트 영역을 매립하는 질화막을 형성하는 단계; 및(g) forming a nitride film filling the damascene gate region over the entire surface; And
(h) 상기 질화막을 실리카 연마제를 포함하는 슬러리를 이용한 CMP 공정을 수행하여 ILD 산화막을 노출시키는 단계를 포함하는 것을 제 1 특징으로 한다. (h) subjecting the nitride film to a CMP process using a slurry containing a silica abrasive to expose the ILD oxide film.
또한, 상기 (b) 단계는 세리아 연마제를 포함하는 슬러리를 이용한 CMP 공정으로 상기 ILD 산화막을 평탄화 식각하여 상기 폴리실리콘층을 노출시키는 것으로 본 발명에 따른 제 2 특징으로 할 수 있다.In addition, the step (b) may be a second feature according to the present invention by exposing the polysilicon layer by planarizing etching the ILD oxide film by a CMP process using a slurry containing a ceria abrasive.
이하에서는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings an embodiment of the present invention will be described in detail.
도 1a 내지 도 1i는 본 발명에 따른 반도체 소자의 형성 방법을 도시한 단면도이다. 1A to 1I are cross-sectional views illustrating a method of forming a semiconductor device in accordance with the present invention.
도 1a를 참조하면, 게이트 산화막(20), 폴리실리콘층(30) 및 스페이서(40)를 구비하는 게이트 구조물이 형성된 반도체 기판(10) 상에 ILD 산화막(50)을 형성한다. 이때, 게이트 구조물의 하부에는 LDD 구조의 소스/드레인(미도시)이 형성되 어 있다. 또한, ILD 산화막(50)은 PE-TEOS 산화막, O3-TEOS 산화막, BPSG 산화막, PSG 산화막, APL 산화막, ALD 산화막, SOG 산화막 또는 이들의 조합으로 형성하며, 두께는 1000Å ∼ 10000Å인 것이 바람직하다.Referring to FIG. 1A, an
도 1b를 참조하면, 슬러리를 이용한 CMP 공정으로 ILD 산화막(50)을 평탄화 식각하여 폴리실리콘층(30)을 노출시킨다. 이때, 상기 슬러리는 콜로이드 실리카 베이스의 연마제를 1 ~ 30 wt% 포함하며, 더 바람직하게는 콜로이드 실리카 베이스의 연마제를 15 ~ 30 wt% 포함하는 것이 바람직하다. 실리카 연마제를 포함하는 슬러리는 산화막의 디싱(Dishing) 현상을 최소화 할 수 있다.Referring to FIG. 1B, the
또한, 이 단계에서 또 다른 실시예로 산화막과 질화막에 대한 선택비가 10 : 1 이상 (Oxide : Nitride Selectivity > 10 :1) 이며 세리아 연마제를 포함하는 고선택성 슬러리를 이용할 수도 있다. 이때, 세리아 고선택성 슬러리에 1 ∼ 200배의 DI수를 첨가하여 희석하여 사용하는 것이 바람직하다.In addition, in this step, as another embodiment, a selectivity ratio of 10: 1 or more (Oxide: Nitride Selectivity> 10: 1) for the oxide film and the nitride film may be used. At this time, it is preferable to add and dilute 1 to 200 times the DI water to the ceria highly selective slurry.
도 1c를 참조하면, 폴리실리콘층(30) 및 게이트 산화막(20)을 제거하여 다마신 게이트 영역을 형성한다. 이때, 스페이서(40) 및 상기 게이트 구조물 사이에 매립된 ILD 산화막(50)에 의해서 다마신 게이트 영역(60)이 정의된다.Referring to FIG. 1C, the
도 1d를 참조하면, 반도체 기판(10) 전체 표면 상부에 게이트 유전 물질층(70)과, 다마신 게이트 영역(60)을 매립하는 금속층(80)을 순차적으로 형성한다.Referring to FIG. 1D, the gate
도 1e를 참조하면, 게이트 CMP 마스크(미도시)를 이용하여 ILD 산화막(50) 상부의 금속층(80)을 식각하여 다마신 게이트 영역(60)의 금속층(80)을 돌출시킨 다. 이는 후속의 식각공정에서 게이트 유전 물질층(70)과 금속층(80)의 식각선택비를 맞추어 평탄화 하기 위한 전처리 공정이다.Referring to FIG. 1E, the
도 1f를 참조하면, 슬러리를 이용한 CMP 공정으로 금속층(80) 및 게이트 유전 물질층(70)을 평탄화 식각하여 ILD 산화막(50)을 노출시킨다. 이때, 상기 슬러리는 도 1b에서 도시된 CMP 공정에 사용되는 슬러리와 동일한 슬러리로서, 산화제인 H2O2를 1 ∼ 6 vol% 및 안정화제인 -NH2기를 포함하는 유기분자를 0.1 ∼ 1 wt% 더 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1F, the
또한, 상기 슬러리는 입자 크기가 50 ∼ 500 nm인 연마제를 0.5 ∼ 30 wt% 포함하고, 0.01 ∼ 30 wt% 의 질화막 연마 속도 향상제, 0.01 ∼ 30 wt% 의 산화제 및 0.01 ∼ 10 wt% 의 pH 조절제가 포함된 pH 2 ∼ 12의 슬러리인 것이 바람직하다.In addition, the slurry contains 0.5 to 30 wt% of an abrasive having a particle size of 50 to 500 nm, 0.01 to 30 wt% of a nitride film polishing rate improving agent, 0.01 to 30 wt% of an oxidizing agent and 0.01 to 10 wt% of pH control. It is preferable that it is a slurry of pH 2-12 containing it.
여기에서, 연마제를 콜로이드 실리카(Colloidal Silica), 퓸드 실리카(Fumed Silica), 알루미나(Al2O3), 세리아(CeO2), 지르코니아(ZrO2) 및 이들의 조합 중 어느 하나로 사용할 수도 있으나, 가장 바람직하게는 본 발명의 특징에 따른 콜로이드 실리카 베이스의 연마제를 15 ~ 30 wt% 함유하는 슬러리를 사용한다.Here, the abrasive may be any one of colloidal silica (Colloidal Silica), fumed silica (Fumed Silica), alumina (Al 2 O 3 ), ceria (CeO 2 ), zirconia (ZrO 2 ) and combinations thereof, but most Preferably, a slurry containing from 15 to 30 wt% of a colloidal silica based abrasive according to a feature of the present invention is used.
도 1g를 참조하면, 다마신 게이트 영역(60)의 게이트 유전 물질층(70) 및 금속층(80)을 소정 깊이 식각한다. 이때, 후속의 질화막(90)을 형성하기 이전에 양이온성(Anionic), 음이온성(Cationic) 이나 비이온성(Nonionic) 계면활성제를 ILD 산화막(50)에만 선택적으로 흡착되도록 추가로 형성할 수도 있다.
Referring to FIG. 1G, the gate
도 1h를 참조하면, 금속층(80)이 식각되어 소정 깊이 노출된 다마신 게이트 영역(60)을 매립하는 질화막(90)을 반도체 기판(10) 전체 표면 상부에 형성한다. 이때, 질화막(90) 형성 공정은 DCS(Dichlorosilance; SiH2Cl2)와 NH3를 소스로 하여 LP-CVD 방법을 이용하거나, SiH4 또는 NH3를 소스로 하여 PE-CVD 방법을 이용하여 200 ∼ 2000Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. Referring to FIG. 1H, a
도 1i를 참조하면, 질화막(90)을 슬러리를 이용한 CMP 공정을 수행하여 ILD 산화막(50)을 노출시킨다. 이때, 상기 슬러리는 도 1b에서 도시된 CMP 공정에 사용되는 슬러리와 동일한 슬러리로서, 콜로이드 실리카 베이스의 연마제를 0.01 ~ 50.00 wt% 포함하며, H3PO4를 0.1 ∼ 99.9 vol% 추가로 포함할 수 있다. 여기서 H3PO4(인산)은 화학적 효과를 유발하여 상기의 금속층(80) 및 질화막(90)의 식각선택비를 역전시키는 역할을 한다.Referring to FIG. 1I, the
상기의 역선택비의 효율성을 높이기 위하여 0.01 ∼ 99.99 vol%의 HNO3+HF 용액을 첨가하며, 여기서 HNO3 : HF 는 0.01 ~ 99.99 : 99.99 ~ 0.01 vol%가 되는 슬러리를 사용하거나, 슬러리에 HF : IPA(Isopropyl alcohol) 는 0.01 ~ 99.99 : 99.99 ~ 0.01 vol%가 되는 0.01 ∼ 99.99 vol%의 HF+IPA(Isopropyl alcohol) 용액을 더 첨가하여 사용할 수도 있다.In order to increase the efficiency of the reverse selection ratio, 0.01 to 99.99 vol% of HNO 3 + HF solution is added, where HNO 3 : HF is used as a slurry of 0.01 to 99.99: 99.99 to 0.01 vol%, or HF is added to the slurry. : IPA (Isopropyl alcohol) can also be used by adding 0.01-99.99 vol% of HF + IPA (Isopropyl alcohol) solution which becomes 0.01-99.99: 99.99-0.01 vol%.
도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 슬러리의 효과를 나타낸 그래프들이다.2 to 5 are graphs showing the effect of the slurry according to the present invention.
도 2는 연마제의 함유량 변화에 따른 산화막 및 질화막에 대한 연마율을 나 타낸 그래프이다. 연마제의 함유량이 낮아짐에 따라 연마되는 비율이 산화막 보다 질화막이 더 크게 나타남을 볼 수 있다.2 is a graph showing the polishing rate for the oxide film and the nitride film according to the change of the abrasive content. As the content of the abrasive is lowered, it can be seen that the rate of polishing is greater than that of the oxide film.
도 3은 연마제의 함유량 변화에 따른 산화막 대 질화막의 식각선택비의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 2의 그래프의 식각 두께 차이에 따른 것으로 약 24.3 wt% 에서의 식각선택비가 1 : 1이 됨을 볼 수 있다.3 is a graph showing the change in the etching selectivity of the oxide film and the nitride film according to the change of the abrasive content. It can be seen that the etching selectivity at about 24.3 wt% is 1: 1 by the difference in etching thickness of the graph of FIG. 2.
도 4는 DI수의 희석 비율에 따른 슬러리 pH의 변화를 나타낸 그래프이다. 연마제의 함유량이 15 ~ 30 wt%일 경우 산성도가 2.84 ~ 3.19 pH 로 본 발명에서 사용되는 슬러리가 강한 산성임을 나타낸다. 따라서, 금속층에 대한 식각도 가능하게 된다. 4 is a graph showing the change of slurry pH according to the dilution ratio of DI water. If the content of the abrasive is 15 to 30 wt%, the acidity is 2.84 to 3.19 pH, indicating that the slurry used in the present invention is strongly acidic. Thus, etching to the metal layer is also possible.
도 5는 케미컬 첨가에 따른 슬러리의 역선택비 경향을 나타낸 그래프이다. 5 is a graph showing the reverse selectivity ratio tendency of the slurry according to chemical addition.
도 5를 참조하면, 케미컬의 함유량이 증가할수록 강한 산성이 되어 산화막 및 금속층에 대한 식각 비가 증가하고, 케미컬의 함유량이 감소할수록 슬러리가 염기성이 되어 질화막에 대한 선택비가 증가하는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 5, it can be seen that as the chemical content increases, the acidity becomes stronger and the etching ratio to the oxide film and the metal layer increases, and as the chemical content decreases, the slurry becomes basic and the selectivity to the nitride film increases.
상술한 바와 같이 모든 CMP 공정에서 공통적으로 실리카 연마제를 포함하는 슬러리를 사용함으로써, 게이트 유전 물질층(70), 금속층(80), 질화막(90) 및 스페이서(40)로 구성되는 다마신 게이트를 효율적으로 형성할 수 있다.As described above, a damascene gate composed of the gate
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 소자의 형성 방법은 다마신 게이트(Damascene Gate)를 형성하는데 있어서 CMP 공정에 사용되는 슬러리를 모두 실리카 연마제를 사용한 산성 슬러리를 사용함으로써, 종래의 서로 다른 슬러 리를 사용하는데 따른 불편함을 해결할 수 있다. 또한, ILD 산화막의 디싱(Dishing) 방지하고, 금속층의 식각도 쉽게 할 수 있으며 연마 속도도 증가 및 질화막 식각을 위한 역선택비 구현을 자유롭게 할 수 있는 효과가 있다. As described above, in the method of forming a semiconductor device according to the present invention, all of the slurries used in the CMP process in forming a damascene gate are acidic slurries using silica abrasive, and thus, different conventional slurries are used. It can solve the inconvenience of using it. In addition, it is possible to prevent dishing of the ILD oxide, to easily etch the metal layer, to increase the polishing rate, and to freely implement the reverse selectivity for etching the nitride film.
아울러 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.In addition, a preferred embodiment of the present invention is for the purpose of illustration, those skilled in the art will be able to various modifications, changes, substitutions and additions through the spirit and scope of the appended claims, such modifications and changes are the following claims It should be seen as belonging to a range.
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