KR20060037563A - 리모트 플라즈마 발생장치를 이용한 고밀도 플라즈마절연막의 형성방법 - Google Patents

리모트 플라즈마 발생장치를 이용한 고밀도 플라즈마절연막의 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고밀도 플라즈마 절연막을 형성시 플라즈마 충격에 의한 금속이온의 발생을 방지할 수 있는 고밀도 플라즈마 절연막의 형성방법을 제공한다. 그 방법은 반응챔버 내의 반도체 기판 상으로 공급된 반응가스를 리모트 플라즈마 발생기를 이용하여 플라즈마화시키고, 플라즈마화된 반응가스를 반도체 기판에 접촉시켜 제1 절연막을 형성한 다음, 상기 반응챔버 내로 공급된 스퍼터용 식각가스를 상기 리모트 플라즈마 발생기를 이용하여 플라즈마화 시킨 후 상기 반도체 기판의 표면을 스퍼터 식각하여 상기 제1 절연막을 소정 두께만큼 제거한다.
고밀도 플라즈마, 리모트, 절연막, 스퍼터 식각

Description

리모트 플라즈마 발생장치를 이용한 고밀도 플라즈마 절연막의 형성방법{Method of forming a high density plasma insulating layer using remote plasma generator}
도 1은 본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 절연막을 증착하기 위한 리모트 플라즈마 시스템을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명에 따른 리모트 플라즈마 발생기를 이용한 고밀도 플라즈마 절연막의 증착방법을 나타낸 공정단면도들이다.
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 리모트(remote) 플라즈마 장치를 이용하여 고밀도 플라즈마(High Density Plasma) 절연막을 형성하는 방법에 관한 것이다.
반도체 소자가 고집적화되면서 소자간의 거리가 점차로 좁아졌다. 이에 따라, 절연막을 이용하여 갭필(gap-fill)해야 하는 깊이도 크게 증가하고 있다. 예를 들어, 게이트 선폭이 미세화 되면서 게이트간의 거리도 짧아졌다. 게다가, DRAM등의 고집적화된 반도체 장치에서는 자기정렬에 의한 콘택형성방법을 적용하기 때문 에 게이트의 높이를 충분히 증가시키면서 상대적으로 게이트 사이의 폭에 비해서 게이트 사이의 갭의 깊이가 깊어져 절연막에 의한 갭의 충진이 문제로 대두되고 있다.
게이트 사이에 충진되는 층간절연막으로서, 일반적으로 고온에서 유동성이 커서 충진율이 좋은 BPSG(Boronphosphoros-silicate glass)가 사용되어 왔으나, 고집적화된 반도체 제조공정에서는 고온의 공정을 사용할 수 없기 때문에 고밀도 플라즈마에 의한 층간절연막으로 대체되어 사용되고 있다. 현재 사용하고 있는 층간절연막을 충진하는 방법은, 게이트 형성 후 고밀도 플라즈마를 이용한 화학기상증착법(HDP CVD)으로 실리콘 산화막을 소정 두께 증착하고 습식식각으로 소정 두께의 산화막을 제거하고 나서 다시 HDP CVD로 실리콘 산화막을 형성하는 것이다.
한편, 반도체 소자의 크기가 더욱 감소함에 따라 종래의 HDP CVD으로는 높은 어스팩트비(aspect ratio)를 갖는 패턴을 갭필하기는 더욱 어려워졌다. 이러한 갭필문제를 해결하기 위하여 건식식각, 예를 들어 스퍼터 식각(sputter etch)을 더 부가하여 사용하고 있다. 그런데, 스퍼터 식각의 경우에는 산소(O2) 가스를 소량 공급하여 플라즈마화시키면서 역시 자신도 플라즈마화되어 전체적으로 고농도의 이온화된 입자들을 발생시키며, 이들 고밀도 이온화된 입자들은 플라즈마 영역 내에서 발생되는 반도체 기판의 전위차(DC drop)에 의해서 가속되어 반도체 기판 상의 실리콘 산화막과 충돌하게 된다. 전위차에 의해 가속되어 반도체 기판과 직접 충돌하도록 설계된 장치는 직접(direct) 플라즈마 장치이라고 한다.
직접 플라즈마 장치에 인가되는 전원에 의해 가속되는 플라즈마 입자들은 직접 플라즈마 장치 내에 설치된 가드링 및 세라믹으로 이루어진 반응챔버 등에 플라즈마 충격을 준다. 플라즈마 충격은 가드링 및 반응챔버 내에 포함된 알루미늄 등의 금속이온을 분리시켜, 금속이온에 의한 반도체 소자에 치명적인 신뢰도 손상을 가져온다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고밀도 플라즈마 절연막을 형성시 플라즈마 충격에 의한 금속이온의 발생을 방지할 수 있는 고밀도 플라즈마 절연막의 형성방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 리모트 플라즈마 발생장치를 이용한 고밀도 플라즈마 절연막의 형성방법은 반도체 기판을 올려놓는 기판 지지대와 상기 반도체 기판에 반응가스 및 스퍼터용 식각가스를 공급하는 가스주입구를 갖는 반응챔버 및 상기 가스주입구에 장착되어 상기 가스주입구에 흐르는 가스를 플라즈마화하는 리모트 플라즈마 발생기를 포함하는 리모트 플라즈마 시스템에 있어서, 먼저 상기 반응챔버 내에 소정의 단차를 가진 패턴이 형성되어 있는 반도체 기판을 준비한다. 그후, 상기 반응챔버 내의 상기 반도체 기판 상으로 상기 반응가스를 공급한다. 상기 반응가스를 상기 리모트 플라즈마 발생기를 이용하여 플라즈마화시키고, 상기 플라즈마화된 반응가스를 반도체 기판에 접촉시켜 제1 절연막을 형성한다. 상기 반응챔버 내로 상기 스퍼터용 식각가스를 공급한다. 상기 스퍼터용 식각가스를 상기 리모트 플라즈마 발생기를 이용하여 플라즈마화 시킨 후 상기 반도체 기판의 표면을 스퍼터 식각하여 상기 제1 절연막을 소정 두께만큼 제거한다.
상기 반응가스는 실렌(SiH4) 가스와 산소(O2) 가스를 포함할 수 있다.
상기 제1 절연막을 형성하는 단계에 있어서, 상기 증착되는 상기 제1 절연막의 두께는 상기 단차를 가진 패턴에 의해 한정되는 갭의 깊이의 1/2보다 작은 것이 바람직하다.
상기 스퍼터용 식각가스는 산소(O2) 가스를 포함할 수 있다.
상기 스퍼터 식각을 수행한 단계 이후에, 상기 제1 절연막을 등방성 식각하여 상기 제1 절연막의 표면기울기를 완만하게 하는 단계 및 상기 등방성 식각된 제1 절연막의 상부면에 제2 절연막을 증착하는 단계를 포함할 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 절연막을 증착하기 위한 리모트 플라즈마 시스템을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 반응챔버(100)의 내부에는 반도체 기판(112)이 안착되는 기판지지대(110) 예를 들어, 정전척이 하부에 설치되어 있다. 반응챔버(100)는 석 영과 같은 세라믹으로 이루어지며 돔(dome) 형상을 가질 수 있다. 반응챔버(100)의 일측벽에는 반응가스 및 분위기 가스가 주입되는 적어도 하나 이상의 가스주입구(124)가 설치되고, 측벽의 아랫부분에는 반응공정이 완료된 가스들을 배출시키는 배출구(128)가 있다.
한편, 반응챔버(100)의 외부에는 가스주입구(124)에 가스들을 공급해주는 가스공급장치(120)가 마련되어 있고, 반응챔버(100)의 일측에는 반응챔버(100)의 내부압력을 저압으로 유지시킬 수 있도록 진공펌프(미도시)를 포함할 수 있다. 가스공급장치(120)는 각각의 가스들을 저장하는 저장조로 이루어지고, 가스공급장치(120)에서 공급된 각각의 가스들은 혼합조(122)에서 혼합된다. 가스주입구(124)는 리모트 플라즈마를 발생하는 리모트 플라즈마 발생기(126)를 포함한다.
다음에, 리모트 플라즈마 발생기(126)를 이용한 고밀도 플라즈마 절연막의 형성방법을 살펴보기로 한다. 절연막 형성방법은 크게 3단계로 구성되어 있다. 즉, 소정의 단차를 가진 패턴이 형성된 반도체 기판(112)을 반응챔버(100) 내에 준비하는 단계와, 리모트 플라즈마 발생기(126)에서 고밀도 플라즈마를 발생시켜 반도체 기판(112) 상에 절연막을 형성하도록 하는 단계와, 반도체 기판(100) 상에 형성된 절연막을 스퍼터 식각(sputtering etch)하여 일부를 제거하는 단계로 구성되어 있다.
반도체 기판을 준비하는 단계는, 먼저 게이트 패턴과 같은 소정의 단차와 굴곡을 가진 패턴을 포함하는 반도체 기판(112)을 반응챔버(100) 내에 위치시킨다. 반응챔버(100) 내부는 공정수행에 적정한 조건으로 분위기를 조성하여 공정을 준비 한다. 이러한 분위기 조건에는 압력과 온도 및 분위기 가스등이 포함된다. 즉, 압력은 저압으로 유지하고, 온도는 상온이나 혹은 고온으로 유지한다. 분위기 가스는 N2, Ar 등과 같은 불활성가스로서 반응기 내의 압력과 온도를 균일하게 유지시키는데 중요한 역할을 한다.
고밀도 플라즈마를 이용하여 절연막을 형성하는 단계는, 반응챔버(100) 내부에 증착공정에 필요한 반응가스들을 공급한다. 여기서 반응가스들은 실리콘 산화막(SiO2)의 소스가스가 되는 실렌(SiH4)과 산소(O2) 및 이들 가스를 운반하는 역할을 하며 플라즈마 발생을 강화시킬 수 있는 보조가스로서 헬륨(He) 등의 불활성기체가 포함된다.
반응가스들은 가스주입구(124)에 설치된 리모트 플라즈마 발생기(126)에 의해 플라즈마 가스로 변환되어 반응챔버(100)의 내부로 공급된다. 반응챔버(100) 내에 장착된 기판지지대(110)는 RF 전력발생기(114)에 연결되고, 반응챔버(100)의 상부 및 하부는 각각 접지된다. 경우에 따라, 리모트 플라즈마 발생기(126)는 반응챔버(100) 내에 설치할 수 있다.
반응챔버(100) 내에는 리모트 플라즈마 발생기(126)에서 공급된 플라즈마 가스가 반도체 기판(112) 상에 플라즈마 영역을 발생시킨다. 그러면, 플라즈마화된 반응가스들은 반도체 기판 상으로 이동되어 반도체 기판 표면 상에서 상호 화학반응(Si + O + O)을 일으키면서 증착되어 실리콘 산화막(SiO2)을 형성한다. 이렇게 증착되는 고밀도 플라즈마에 의한 산화막 형성 공정은 증착속도가 매우 빠르면서 상 대적으로 스텝커버리지(step coverage)가 좋은 장점이 있다. 그러나, 소정의 단차가 있는 패턴에서는 패턴의 갭의 입구에 증착이 더 빨리 진행되어 오버행 현상(overhang)이 발생한다. 따라서, 갭이 충진되지 않을 정도의 두께인 갭사이의 거리의 1/2이하의 두께로 증착한다.
절연막 증착공정이 완료되면, 스퍼터 식각을 하여 패턴의 갭의 입구에 형성되기 쉬운 절연막(실리콘 산화막)을 제거한다. 스퍼터 식각은 다른 반응챔버에서 실행할 수도 있고, 동일 반응챔버 내에서 공급되는 반응가스와 공정조건만을 변화시켜 인시튜(in-situ)로 진행할 수도 있다. 이 때, 사용되는 반응가스로는 스퍼터용 플라즈마를 발생시킬 수 있는 가스를 사용하는데, 즉, 산소(O2) 가스와 헬륨(He)을 혼합하여 반응챔버(100) 내로 공급한다. 이렇게 스퍼터용 가스는 리모트 플라즈마 발생기(126)를 거치면서 플라즈마 가스로 변환된다. 즉, 스퍼터용 가스인 헬륨과 산소가 활성화되어 전하를 띤 플라즈마 형태로 변환되고, 반도체 기판(110) 상부에 플라즈마 영역이 형성된다. 플라즈마화된 스퍼터용 가스는 반도체 기판(100) 쪽으로 가속되어 실리콘 산화막과 충돌하는 이온 충돌(Ion bombardment)에 의해서 반도체 기판(100) 표면에 증착된 실리콘산화막(SiO2)을 실리콘 원자(Si)와 산소 원자(O)로 분리시킨다. 스퍼터 식각은 이방성(anisotropic etch)이 강하기 때문에 이온 진행방향에 대해서 수직으로 드러나는 부분의 식각이 가장 빠르고 패턴들 사이에 형성된 갭의 입구 모서리부분에 상대적으로 결합력이 취약한 실리콘 산화막이 비교적 많이 식각되는 경향이 있다. 이온 충돌에 의해서 분리된 실리콘 원자(Si)는 다시 플라즈마화된 산소들과 결합하여 패턴의 갭 사이에서 증착되는 재증착 현상(redeposition)이 발생하기도 한다.
스퍼터 식각(sputter etch)이 완료되면, 게이트 패턴(220) 상에 증착된 제1 층간절연막(231)은 도 4에서와 같이 삼각형의 산모양으로 식각된다. 산모양으로 식각된 형태는 추후 패턴의 갭을 형성하기 위해서 추가로 제2 층간절연막(일반적으로 고밀도 플라즈마를 이용한 실리콘 산화막)을 증착할 때, 갭 입구부분에 실리콘 소스가스들이 집중되어 증착이 빨라지면서 발생하는 오버행 현상(overhang)을 방지할 수 있어, 추후 제2 층간절연막 충진 후 보이드 결함(Void defect)을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 스퍼터 식각용 가스를 리모트 플라즈마 발생기를 이용하여 플라즈마화 함으로써, 플라즈마에 가해지는 구동력을 종래의 직접 플라즈마 발생기에 비해 현저하게 줄일 수 있다. 따라서, 플라즈마화된 스퍼터 식각용 가스들이 반응챔버(100)의 벽과 가드링(미도시) 등에 충돌하는 충격량을 줄일 수 있다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 리모트 플라즈마 발생기를 이용한 고밀도 플라즈마 절연막의 증착에 의한 반도체 소자의 제조방법을 나타낸 공정단면도들이다. 본 발명의 실시예에서는 게이트 사이의 갭을 절연막으로 갭필하는 공정을 중심으로 하여 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 접합영역(203)이 형성된 반도체 기판(200)에 소자분리막(201)에 의해 활성영역을 정의한다. 즉, 반도체 기판(200)에 트렌치를 형성하고 트렌치 내부에 충진용 절연막으로서 실리콘 산화막을 매립하여 소자분리막(201)을 완 성한다. 그후, 소자분리 공정이 완료된 반도체 기판(200)의 전면에 게이트 절연막(210)을 형성하고, 그 위에 게이트 도전막(221,223)을 형성한다. 자기정렬방식으로 콘택을 형성하기 위하여 게이트 도전막 상에 마스크용 절연막(225)을 형성한다. 통상의 사진식각공정을 이용하여 게이트 도전막(221,223)이 소정부분을 제거하여 게이트 패턴(220)을 형성한다. 게이트 패턴(220) 상에 화학기상증착법을 이용하여 절연막을 형성하고 이방성 건식식각에 의해서 게이트 패턴(220)의 측벽에 절연막 스페이서(227)를 형성한다. 한편, 게이트 도전막(221,223)은 단일의 도전성 물질을 증착하여 형성할 수도 있고, 본 실시예에서와 같이, 복수의 도전막이 조합되어 형성될 수도 있다.
도 3을 참조하면, 게이트 패턴(220)이 완성된 반도체 기판(200) 상에 제1 층간절연막(231)을 증착한다. 여기서, 제1 층간절연막(231)은 실리콘 산화막을 사용하는 것이 바람직하며, 실리콘 산화막은 스페이서(227) 사이의 갭의 깊이(a)의 2분의1 보다 낮은 두께(0.5 a)로 증착된다. 이때 형성되는 실리콘 산화막은 고밀도 플라즈마를 이용한 화학기상증착법에 의해서 형성되며, 막형성에 사용되는 실리콘 소스가스로는 실렌(SiH4) 가스를 사용하며, 산소 소스가스로서 산소(O2)가스를 헬륨(He)과 혼합하여 사용한다.
도 4를 참조하면, 제1 층간절연막(231)을 건식식각법의 하나인 스퍼터 식각(sputter etch)으로 일부를 제거한다. 이때 사용되는 스퍼터용 식각가스로는 전술한 고밀도 플라즈마를 이용한 실리콘 산화막 형성에서 사용했던 가스 중에서 실렌 (SiH4)을 제외하고 산소와 헬륨의 혼합가스를 사용한다. 스퍼터링에 의한 식각은 플라즈마화된 분위기 가스가 반도체 기판(200) 상에 충돌하면서 진행된다. 이에 따라, 게이트 패턴(220)을 중심으로 중앙은 첨예한 산모양의 피치를 형성하는 제1 층간절연막(231)의 형상을 얻을 수 있다. 즉, 게이트 패턴(220) 중심으로부터 스페이서(227) 사이의 갭으로 제1 층간절연막(231)의 기울기가 현저히 완만해져 증착공정에서 일반적으로 발생하기 쉬운 역기울기(reverse slope)를 가진 오버행(overhang) 현상이 없어진다. 그리하여 후속되는 제2 층간절연막(도 6의 233) 형성공정을 진행할 때, 스페이서(227) 사이의 갭에 발생하기 쉬운 오버행(overhang) 현상에 의한 보이드(void)의 발생을 억제할 수 있다.
도 5를 참조하면, 습식식각을 이용하여 제1 층간절연막(231)을 등방성 식각하여 스퍼터 식각으로 형성된 불균일한 식각부위의 실리콘 산화막을 제거하여 제1 층간절연막(231)의 표면의 기울기를 완만하게 한다. 그러면, 산모양의 피치를 갖은 제1 층간절연막(231)은 비교적 둥그런 형태가 되어 후속되는 제2 층간절연막(233) 형성시 스페이서(220)간의 갭필(gap-fill)을 용이하게 한다.
도 6을 참조하면, 반도체 기판(200) 상에 다시 제2 층간절연막(233)을 리모트 플라즈마 발생기에 의한 고밀도 플라즈마를 이용한 화학기상증착법(HDP CVD)으로 형성한다. 이 때, 제2 층간절연막(233)은 역시 제1 층간절연막(231)과 같은 실리콘 산화막이며, 사용되는 소스가스는 역시 실렌(SiH4)과 산소(O2)가스이며, 캐리어 가스(carrier gas)로서 헬륨(He)을 사용한다. 이에 따라, 스페이서(227) 사이에 형성된 갭(gap)은 보이드(void)없이 완전하게 충진된다. 제1 층간절연막(231)과 제2 층간절연막(233)에 의해 스페이서(227) 사이의 갭을 완전하게 충진하는 층간절연막(230)이 완성된다. 이어서, 통상의 방식으로 제2 층간절연막(233) 상에 형성된 굴곡과 단차를 없애고 평탄화하기 위해서 화학적 기계연마법(Chemical mechanical polishing)을 이용하여 층간절연막(230)을 평탄화한다.
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다. 즉, 본 발명의 절연막 형성방법은 게이트 패턴과 같이 일정간격으로 갭을 형성하는 다른 패턴, 예를 들어 비트라인패턴이나 금속배선패턴에서도 단차 충진용 절연막으로서 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 고밀도 플라즈마에 의한 절연막 형성방법은 리모트 플라즈마 발생기를 이용하여 스퍼터용 식각가스를 플라즈마화함으로써, 플라즈마에 가해지는 구동력을 현저하게 줄여 반응챔버의 벽과 가드링 등에 충돌하는 충격량을 줄일 수 있다.

Claims (5)

  1. 반도체 기판을 올려놓는 기판 지지대와 상기 반도체 기판에 반응가스 및 스퍼터용 식각가스를 공급하는 가스주입구를 갖는 반응챔버 및 상기 가스주입구에 장 착되어 상기 가스주입구에 흐르는 가스를 플라즈마화하는 리모트 플라즈마 발생기를 포함하는 리모트 플라즈마 시스템에 있어서,
    상기 반응챔버 내에 소정의 단차를 가진 패턴이 형성되어 있는 반도체 기판을 준비하는 단계;
    상기 반응챔버 내의 상기 반도체 기판 상으로 상기 반응가스를 공급하는 단계;
    상기 반응가스를 상기 리모트 플라즈마 발생기를 이용하여 플라즈마화시키고, 상기 플라즈마화된 반응가스를 반도체 기판에 접촉시켜 제1 절연막을 형성시키는 단계;
    상기 반응챔버 내로 상기 스퍼터용 식각가스를 공급하는 단계; 및
    상기 스퍼터용 식각가스를 상기 리모트 플라즈마 발생기를 이용하여 플라즈마화 시킨 후 상기 반도체 기판의 표면을 스퍼터 식각하여 상기 제1 절연막을 소정 두께만큼 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리모트 플라즈마 발생장치를 이용한 고밀도 플라즈마 절연막의 형성방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반응가스는 실렌(SiH4) 가스와 산소(O2) 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 리모트 플라즈마 발생장치를 이용한 고밀도 플라즈마 절연막의 형성방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 절연막을 형성하는 단계에 있어서,
    상기 증착되는 상기 제1 절연막의 두께는 상기 단차를 가진 패턴에 의해 한정되는 갭의 깊이의 1/2보다 작은 것을 특징으로 하는 리모트 플라즈마 발생장치를 이용한 고밀도 플라즈마 절연막의 형성방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 스퍼터용 식각가스는 산소(O2) 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 리모트 플라즈마 발생장치를 이용한 고밀도 플라즈마 절연막의 형성방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 스퍼터 식각을 수행한 단계 이후에,
    상기 제1 절연막을 등방성 식각하여 상기 제1 절연막의 표면기울기를 완만하게 하는 단계; 및
    상기 등방성 식각된 제1 절연막의 상부면에 제2 절연막을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리모트 플라즈마 발생장치를 이용한 고밀도 플라즈마 의 형성방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20200102360A (ko) * 2019-02-20 2020-08-31 에이에스엠 아이피 홀딩 비.브이. 기판 표면 내에 형성된 오목부를 충진하기 위한 방법 및 장치

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