KR20060064998A - Method for forming a deep contact hole in semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하드 마스크를 이용한 반도체 소자의 딥 컨택홀 형성공정시 발생하는 딥 컨택홀의 저부가 오픈되지 않는 현상과, 딥 컨택홀 프로파일의 벤딩(또는, 휨) 현상을 해결하여 하지 도전층과의 접촉 영역을 증대시키고, 이를 통해 접촉저항을 감소시킬 수 있는 반도체 소자의 딥 컨택홀 형성방법에 관한 것으로, 이를 위해 본 발명에서는 층간 절연막 내에 하지 도전층이 형성된 반도체 기판을 제공하는 단계; 반도체 기판 상에 상측부의 개구부가 하측부의 개구부보다 큰 폭을 갖는 하드 마스크를 형성하는 단계; 상기 하드 마스크를 이용한 식각공정을 실시하여 상기 하지 도전층이 노출되는 딥 컨택홀을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 딥 컨택홀 형성방법을 제공한다.
The present invention solves a phenomenon in which the bottom of a deep contact hole, which occurs during a deep contact hole forming process of a semiconductor device using a hard mask, does not open, and a bending (or bending) phenomenon of a deep contact hole profile is solved, thereby contacting an underlying conductive layer. The present invention relates to a method for forming a deep contact hole of a semiconductor device capable of increasing a contact resistance and thereby reducing contact resistance. The present invention provides a semiconductor substrate having a ground conductive layer formed in an interlayer insulating film; Forming a hard mask on the semiconductor substrate, the opening of the upper portion having a larger width than the opening of the lower portion; A method of forming a deep contact hole in a semiconductor device, the method including forming a deep contact hole through which an underlying conductive layer is exposed by performing an etching process using the hard mask.
반도체 소자, 딥 컨택홀, 하드 마스크, 아모퍼스 카본막, SiON막 Semiconductor element, deep contact hole, hard mask, amorphous carbon film, SiON film
Description
도 1a 내지 도 1d는 딥 컨택홀의 임계치수에 따른 하드 마스크의 프로파일(profile)을 설명하기 위하여 도시한 단면도.1A to 1D are cross-sectional views illustrating profiles of a hard mask according to a critical dimension of a deep contact hole.
도 2a 내지 도 2c는 하드 마스크 하측부의 개구부가 타원형 형태를 갖는 경우 하지 도전층과의 오버랩 마진(overlap margin)을 설명하기 위하여 도시한 단면도.2A to 2C are cross-sectional views for explaining an overlap margin with an underlying conductive layer when the opening of the lower portion of the hard mask has an elliptical shape.
도 3은 종래기술에 따른 반도체 소자의 딥 컨택홀 형성방법을 통해 형성된 컨택홀을 문제점을 설명하기 위하여 도시한 단면도.3 is a cross-sectional view illustrating a problem of a contact hole formed through a deep contact hole forming method of a semiconductor device according to the prior art;
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자의 딥 컨택홀 형성방법을 도시한 단면도.
4A to 4E are cross-sectional views illustrating a method for forming a deep contact hole in a semiconductor device according to a preferred embodiment of the present invention.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉<Explanation of symbols for main parts of drawing>
10 : 반도체 기판 11 : 하지 도전층10 semiconductor substrate 11: base conductive layer
12 : 층간 절연막 13 : 아모퍼스 카본막12 interlayer
14 : SiON막(또는, SiN막) 15 : 하드 마스크 14 SiON film (or SiN film) 15 hard mask
16 : 반사 방지막 17 : 포토 레지스트 패턴16: antireflection film 17: photoresist pattern
18 : 딥 컨택홀 13a, 13b : 개구부
18:
본 발명은 반도체 소자의 딥 컨택홀 형성방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 하드 마스크를 이용한 반도체 소자의 메탈 컨택용 딥 컨택홀 형성공정에 관한 것이다. The present invention relates to a deep contact hole forming method of a semiconductor device, and more particularly, to a deep contact hole forming process for metal contact of a semiconductor device using a hard mask.
반도체 소자의 고집적화에 따른 디자인 룰(design rule)의 감소에 의해 반도체 소자의 제조공정시 더욱 정교한 공정 제어가 요구되고 있다. 특히, DRAM의 경우, 0.115㎛ 이하에서는 금속배선(metal line)과 비트라인(bit line) 사이, 기판 상의 도전층과 비트라인 사이, 또는 기판의 활성영역과 캐패시터(capacitor) 전극 사이를 접속시키기 위한 메탈 컨택(metal contact) 형성공정에 대한 관심이 높아지고 있다. Due to the reduction of design rules due to the high integration of semiconductor devices, more precise process control is required in the manufacturing process of semiconductor devices. In particular, in the case of DRAM, the thickness of 0.115 μm or less may be used to connect a metal line and a bit line, between a conductive layer and a bit line on a substrate, or between an active region of a substrate and a capacitor electrode. There is a growing interest in the process of forming metal contacts.
그렇지만, 반도체 소자의 고집적화에 따른 단차 증가로 인하여 반도체 소자의 메탈 컨택용 딥(deep) 컨택홀을 형성하기 위한 식각공정시 많은 어려움이 야기되고 있다. 일반적으로, 딥 컨택홀 식각공정시 포토 레지스트를 식각 마스크로 사용하고 있다. 그런데, 최근에는 DRAM 소자가 고집적화되어 감에 따라 포토 레지스트의 두께 감소가 불가피하게 되었으며, 이로 인하여 딥 컨택홀 식각공정시 포토 레지스트를 단독으로 식각 마스크로 사용할 경우 식각공정시 식각되는 하부층의 상부가 손실되는 현상이 발생하게 된다. 이러한 현상은 딥 컨택홀 식각공정시 포토 레지스트의 두께 마진(margin) 부족으로 인해 포토 레지스트의 일부가 손실되어 발생하게 된다. However, due to an increase in the level difference due to the high integration of the semiconductor device, many difficulties are caused in the etching process for forming the deep contact hole for the metal contact of the semiconductor device. In general, a photoresist is used as an etching mask in the deep contact hole etching process. However, in recent years, as the DRAM devices have been highly integrated, the thickness of the photoresist has been inevitably reduced. As a result, when the photoresist is used alone as an etching mask in the deep contact hole etching process, the upper portion of the lower layer etched during the etching process is lost. Phenomenon occurs. This phenomenon occurs due to the loss of a portion of the photoresist due to the lack of a margin of thickness in the deep contact hole etching process.
이에 따라, 최근에는 하드 마스크 스킴(hard mask scheme)이 제안되어 딥 컨택홀 식각공정에 적용되고 있다. 하드 마스크 스킴은 식각 마스크로 포토 레지스트 대신에 하드 마스크를 사용하는 공정으로서, 대표적으로 하드 마스크는 텅스텐, 폴리 실리콘막이 사용된다. Accordingly, recently, a hard mask scheme has been proposed and applied to a deep contact hole etching process. The hard mask scheme is a process of using a hard mask instead of a photoresist as an etching mask, and typically a tungsten or polysilicon film is used as the hard mask.
그러나, 하드 마스크를 텅스텐, 폴리 실리콘막으로 사용하는 경우에는 다음과 같은 문제점들이 발생한다. However, when the hard mask is used as a tungsten or polysilicon film, the following problems arise.
먼저, 폴리 실리콘막을 하드 마스크로 사용하여 딥 컨택홀 식각공정을 실시하는 경우에는, 딥 컨택홀 식각공정시 충분한 식각 마진을 확보하기 위해 폴리 실리콘막을 최소한 3000Å 이상의 두께로 증착하여야만 한다. 이로 인해, 폴리 실리콘막 증착시간이 증대되어 공정시간의 증가 및 지연이 발생한다. 더욱이, 폴리 실리콘막의 두께가 증가될 수록 그 만큼 하드 마스크 식각이 어려워져 도 1a 내지 도 1d에 도시된 바와 같이 하드 마스크 식각공정 후 워스트(worst)한 프로파일(profile)을 얻게 된다. 결국, 워스트한 프로파일을 갖는 하드 마스크를 이용하여 식각공정을 진행함에 따라 딥 컨택홀 저부의 면적이 감소하게 된다. 여기서, 도 1a는 가장 딥 컨택홀의 임계치수(Critical Demension)가 가장 작은 경우이고, 도 1d는 가장 큰 경우이다. First, in the case of performing the deep contact hole etching process using the polysilicon film as a hard mask, the polysilicon film should be deposited to a thickness of at least 3000 GPa in order to secure sufficient etching margin during the deep contact hole etching process. As a result, the polysilicon film deposition time is increased to increase the process time and delay. In addition, as the thickness of the polysilicon film is increased, the hard mask etching becomes more difficult, thereby obtaining a worsted profile after the hard mask etching process as illustrated in FIGS. 1A to 1D. As a result, as the etching process is performed using a hard mask having a warped profile, the area of the bottom of the deep contact hole is reduced. Here, FIG. 1A is a case where the critical dimension of the deepest contact hole is the smallest, and FIG. 1D is the case where it is the largest.
텅스텐을 하드 마스크로 사용하여 딥 컨택홀 식각공정을 실시하는 경우에는, 폴리 실리콘막을 사용한 하드 마스크에 비해 식각 선택비 특성은 우수하나, 딥 컨택홀 형성 후 하드 마스크 제거공정이 어렵다. 또한, 텅스텐을 하드 마스크로 사용하는 경우에는 공정진행시 금속 파티클(particle)과 같은 잔류물이 생성되어 공정 진행상 문제점이 있다. 더욱이, 텅스텐은 아직까지 충분하게 하드 마스크 재료로서 검증되지 않은 상태이며, 이에 따라 텅스텐을 하드 마스크에 적용하는데는 그 한계가 있다. In the case of performing the deep contact hole etching process using tungsten as the hard mask, the etching selectivity characteristics are superior to the hard mask using the polysilicon film, but the hard mask removal process is difficult after forming the deep contact hole. In addition, when tungsten is used as a hard mask, residues such as metal particles are generated during the process, thereby causing a problem in the process. Moreover, tungsten has not yet been sufficiently verified as a hard mask material, and thus there is a limit to applying tungsten to the hard mask.
상술한 바와 같이, 종래기술에 따른 하드 마스크를 사용하여 딥 컨택홀 식각공정을 진행하는 경우에는 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이 하드 마스크의 하측부의 면적이 감소할 뿐만 아니라, 타원형 형태를 갖기 때문에 하지 도전층과의 오버랩 마진(overlap margin)이 부족하여 소자의 불량을 유발시킨다. 극단적인 경우에는 도 3에 도시된 바와 같이 딥 컨택홀 식각공정시 딥 컨택홀의 저부가 오픈되지 않는 현상이 발생할 뿐만 아니라, 딥 컨택홀이 휘어지는 딥 컨택홀 프로파일의 벤딩(bending) 현상이 유발되는 바, 이러한 문제점을 개선하기 위한 종합적인 대책 마련이 매우 시급히 필요한 실정이다.
As described above, when the deep contact hole etching process is performed using the hard mask according to the related art, as shown in FIGS. 2A to 2C, the area of the lower side of the hard mask is not only reduced, but also has an elliptical shape. As a result, there is a lack of overlap margin with the underlying conductive layer, which causes device defects. In extreme cases, as shown in FIG. 3, not only the bottom of the deep contact hole does not open during the deep contact hole etching process, but also a bending of the deep contact hole profile in which the deep contact hole is bent is caused. There is an urgent need to develop comprehensive measures to improve these problems.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 하드 마스크를 이용한 반도체 소자의 딥 컨택홀 형성공정시 발생하는 딥 컨택홀의 저부가 오픈되지 않는 현상과, 딥 컨택홀 프로파일의 벤딩 현상을 해결하여 하지 도전층과의 접촉 영역을 증대시킴으로써 컨택저항을 감소시켜 반도체 소자의 수율을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 딥 컨택홀 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
Accordingly, the present invention has been proposed to solve the above problems of the prior art, the phenomenon that the bottom of the deep contact hole that occurs during the deep contact hole formation process of the semiconductor device using a hard mask is not opened, and the bending of the deep contact hole profile It is an object of the present invention to provide a method for forming a deep contact hole in a semiconductor device capable of improving the yield of the semiconductor device by reducing the contact resistance by increasing the contact area with the underlying conductive layer by solving the phenomenon.
상기한 목적을 달성하기 위한 일측면에 따른 본 발명은, 층간 절연막 내에 하지 도전층이 형성된 반도체 기판을 제공하는 단계와, 반도체 기판 상에 상측부의 개구부가 하측부의 개구부보다 큰 폭을 갖는 하드 마스크를 형성하는 단계와, 상기 하드 마스크를 이용한 식각공정을 실시하여 상기 하지 도전층이 노출되는 딥 컨택홀을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 딥 컨택홀 형성방법을 제공한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a semiconductor substrate having a base conductive layer formed in an interlayer insulating film, and a hard mask having an opening at an upper portion of the semiconductor substrate having a width greater than that of a lower portion. And forming a deep contact hole through which the underlying conductive layer is exposed by performing an etching process using the hard mask to form the deep contact hole.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자의 딥 컨택홀 형성방법을 설명하기 위하여 일례로 DRAM 소자의 메탈 컨택용 딥 컨택홀 형성방법을 도시한 단면도들이다. 4A through 4E are cross-sectional views illustrating a method of forming a deep contact hole for a metal contact of a DRAM device in order to explain a method of forming a deep contact hole in a semiconductor device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 4a에 도시된 바와 같이, 일련의 반도체 제조공정을 통해 반도체 구조물층(미도시)이 형성된 반도체 기판(10) 상에 하지 도전층(11)을 형성한다. 이때, 반도체 구조물층은 접합영역, 도전층, 컨택 플러그 및 절연막 등을 포함할 수 있다. As shown in FIG. 4A, a base
이어서, 하지 도전층(11)을 포함하는 전체 구조 상부에 층간 절연막(12)을 증착한다. 이때, 층간 절연막(12)은 산화막 계열의 물질로 형성한다. 예컨대, 층간 절연막(12)은 HDP(High Density Plasma)막, BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass)막, PSG(Phosphorus Silicate Glass)막, TEOS(Tetra Ethyle Ortho Silicate)막, USG(Un-doped Silicate Glass)막, FSG(Fluorinated Silicate Glass)막, CDO(Carbon Doped Oxide)막 및 OSG(Organo Silicate Glass)막 중 어느 하나를 이용하여 단층으로 형성하거나, 이 들이 적어도 2층 이상 적층된 적층 구조로 형성할 수 있다.Next, an interlayer
이어서, CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 이용한 평탄화 공정을 실시하여 층간 절연막(12)의 상부를 평탄화할 수 있다. Subsequently, a planarization process using a chemical mechanical polishing (CMP) process may be performed to planarize the upper portion of the
이어서, 층간 절연막(12)의 상부에 하드 마스크(15)를 증착한다. 이때, 하드 마스크(15)는 아모퍼스 카본(amorphous carbon)막(13) 및 SiON막(14)(또는, SiN막)의 적층 구조로 형성한다. 이외에, 하드 마스크(15)는 폴리 실리콘막, 텅스텐, TiN막 등으로 형성할 수 있다. Subsequently, a
이어서, 하드 마스크(15) 상에 반사 방지막(16)을 도포한다. 이때, 반사 방지막(16)은 유기 저부 반사 방지막(Organic Bottom Anti-Reflection Coating film)으로 형성한다. 여기서, 반사 방지막은 유기물 또는 무기물로 이루어진다. Next, the
이어서, 하드 마스크(15) 상에 포토 레지스트를 도포한 후 포토 마스크를 이용한 노광 및 현상공정을 순차적으로 실시하여 포토 레지스트 패턴(17)을 형성한다.Subsequently, after the photoresist is applied on the
이어서, 도 4b에 도시된 바와 같이, 포토 레지스트 패턴(17)을 식각 마스크 로 이용한 식각공정을 실시하여 반사 방지막(16)과 하드 마스크(15)의 상부층인 SiON막(14)을 식각한다. 이때, 식각공정은 CF4와 O2 플라즈마 가스를 이용하여 실시한다. Subsequently, as illustrated in FIG. 4B, an etching process using the
이어서, 도 4c에 도시된 바와 같이, 인시튜(in-situ)로 N2와 O2 플라즈마 가스를 이용한 식각공정을 실시하여 하드 마스크(15)의 하부층인 아모퍼스 카본막(13)을 식각한다. 이 식각공정에 의해 포토 레지스트 패턴(17)과 반사 방지막(16)은 제거된다. 제거되지 않는 경우에는 별도의 스트립 공정 및/또는 세정공정을 통해 제거할 수도 있다. Subsequently, as shown in FIG. 4C, an etching process using N 2 and O 2 plasma gases is performed in-situ to etch the
이어서, 도 4d에 도시된 바와 같이, 하드 마스크(15)의 상부층인 SiON막(14)을 제거한다. 이때, 노출된 층간 절연막(12)의 일부가 리세스(recess)되어 홈(18a)이 형성될 수 있다.Next, as shown in FIG. 4D, the
이어서, 도 4e에 도시된 바와 같이, CF4와 O2 플라즈마를 이용한 식각공정을 실시하여 식각된 부위 방향으로 상측부에는 테이퍼드 프로파일(tapered profile)을 갖는 아모퍼스 카본막(13)이 형성된다. 즉, 층간 절연막(12)과 접촉되는 방향의 하측부에는 개구부(13b)가 원형 프로파일을 갖도록 형성하고, 그 상측부에는 개구부(13a)가 하측부의 개구부(13b)보다 큰 원형 프로파일을 갖도록 테이퍼드 프로파일을 형성한다. 이로써, 딥 컨택홀(18, 도 4f참조) 식각공정시 식각 마스크로 사용되는 아모퍼스 카본막(13)의 하측부의 개구부(13b)는 원형을 유지하면서 상측부의 개구부(13a)를 극대화시킴으로써 하지 도전층(11)과의 오버랩 마진을 개선시키면서 식각공정시 식각 마진을 개선시킬 수 있다. 한편, 상기 식각공정에 의해 노출된 층간 절연막(12)이 식각되어 층간 절연막(12) 내에 형성된 홈(18a)이 깊어진다.Subsequently, as shown in FIG. 4E, an etching process using CF 4 and O 2 plasma is performed to form an
이어서, 도 4f에 도시된 바와 같이, 테이퍼드 프로파일(13a)을 갖는 아모퍼스 카본막(13)을 이용한 식각공정을 실시하여 하지 도전층(11)이 노출되는 딥 컨택홀(19)을 형성한다. 이때, 식각공정은 불소계 기체를 이용한다. 여기서, 불소계 기체는 C4F6, C3F6, C5F8, C3F
3을 주 식각기체로 한다. Subsequently, as shown in FIG. 4F, an etching process using an
이어서, N2와 O2 플라즈마 가스를 이용한 스트립 공정을 실시하여 잔류된 아모퍼스 카본막(13)을 제거한다. Subsequently, the stripped
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 DRAM 소자를 일례로 들어 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명은 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
Although the technical spirit of the present invention described above has been described in detail in a preferred embodiment using a DRAM device as an example, it should be noted that the above embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, the present invention will be understood by those skilled in the art that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 반도체 소자의 메탈 컨택용 딥 컨택홀 형성공정시 식각 마스크로 사용되는 하드 마스크의 상측부에 하측부의 개구부보다 큰 개구부를 갖도록 테이퍼드 프로파일을 형성한 후 딥 컨택홀 식각공정을 실시함으로써 하지 도전층과의 오버랩 마진을 유지하면서 식각마진을 개선시킬 수 있다. As described above, according to the present invention, a deep contact is formed after the tapered profile is formed in the upper portion of the hard mask used as an etch mask in the deep contact hole forming process for the metal contact of the semiconductor device to have an opening larger than the opening in the lower portion. By performing the hole etching process, the etching margin can be improved while maintaining the overlap margin with the underlying conductive layer.
따라서, 본 발명에서는 딥 컨택홀의 저부가 오픈되지 않는 현상과, 딥 컨택홀 프로파일의 벤딩 현상을 해결하여 하지 도전층과의 접촉 영역을 증대시킴으로써 후속 공정을 통해 형성되는 메탈 컨택과 하지 도전층 간의 컨택저항을 감소시켜 반도체 소자의 수율을 향상시킬 수 있다. Accordingly, in the present invention, the bottom contact of the deep contact hole is not opened, and the contact resistance between the metal contact and the underlying conductive layer formed through a subsequent process is solved by increasing the contact area with the underlying conductive layer by solving the phenomenon of bending the deep contact hole profile. It is possible to improve the yield of the semiconductor device by reducing the.
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020040103701A KR20060064998A (en) | 2004-12-09 | 2004-12-09 | Method for forming a deep contact hole in semiconductor device |
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KR1020040103701A KR20060064998A (en) | 2004-12-09 | 2004-12-09 | Method for forming a deep contact hole in semiconductor device |
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KR (1) | KR20060064998A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100900774B1 (en) * | 2007-11-01 | 2009-06-02 | 주식회사 하이닉스반도체 | Method for fabricating contact hole in semiconductor device |
-
2004
- 2004-12-09 KR KR1020040103701A patent/KR20060064998A/en not_active Application Discontinuation
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