KR20070003059A - 반도체 소자의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

반도체 소자의 제조 방법은 고밀도 플라즈마를 통해 여러 단계에 걸쳐 공정조건을 변화시켜가면서 산화물을 형성하는 공정에 있어서, 각 공정 단계 사이에 다음단계의 초기조건으로 반응 조건을 설정해 주는 완충단계를 두는 것을 특징으로 한다.

반도체 소자, 다단계, 산화물, HDP

Description

반도체 소자의 제조 방법{Method for fabricating semicomductor device}

도 1은 다단계 증착법에 의해 산화물을 증착할 경우 웨이퍼 전체 표면에 있어서 결함의 발생 밀도를 보여주는 도면이다.

도 2는 다단계 증착법에 의해 증착한 후 CMP를 적용한 후의 기판의 표면을 나타낸 도면이다.

도 3은 다단계 증착법에 의해 증착한 후 각 단계에 의해 형성된 막들 간에 발생하는 결함을 보여주기 위한 투과전자현미경(TEM) 사진이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.

본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 소자의 제조 공정중 산화막 형성공정, 특히 고밀도 플라즈마를 이용하여 여러 단계에 걸쳐서 산화막을 제조하는데 적용가능한 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다.

반도체 소자를 제조함에 있어서는 많은 절연층(insulator)을 필요로 한다. 가장 대표적인 절연층이 반도체 기판 상에 활성영역 사이를 분리하는 소자분리영역(isolation), 게이트 전극을 반도체 기판으로부터 절연시키기 위한 게이트 절연막, 비트라인 및 워드라인 형성시 층간 또는 금속간 절연을 위해 형성되는 층간절연막(ILD 1, ILD 2), 금속간 절연막(IMD 1, IMD 2) 등이 있다.

이러한, 절연층은 일반적으로 산화물, 예컨대 USG(Undoped Silicated glass), PSG(Phosphor Silicate Glass), BPSG(Boron Phosphor Silicate Glass), SiO₂ 등의 물질을 SOG(Spin on glass), HDP(High Density Plasma), CVD(Chemical Vapor Deposition) 등의 방법을 이용하여 형성한다.

이중 반도체 소자가 점점 집적화 되어 가고 최근에는 8F2, 6F2가 주로 연구-개발되고 있는 점을 감안할때, 이러한 절연물을 보이드(void)와 같은 결함없이 밀도있게 형성하는 것은 모든 반도체 소자를 제조하는 회사에 있어서 중요한 이슈로 떠오르고 있다.

특히, 종횡비(aspect ratio)가 매우 큰 틈새와 같은 곳에 산화물을 형성함에 있어서 많이 사용되고 있는 방법이 다단계 증착법(Multi step deposition method)인데, 다단계 증착법이라 함은 최종 목적 두께를 달성하기 위하여 하나의 단계로 피증착물을 증착하는 것이 아니라, 각 단계마다 피증착물의 상태에 따라 그 단계에 적합하도록 공정 조건, 예컨대 가스의 압력과 파워 등을 달리 설정하여 피증착물을 여러 단계에 걸쳐서 증착하는 기술을 말한다.

그러나, 이러한 다단계 증착법에 있어서 전단계(fore step)에서 다음단계(next step)로 넘어갈 때 전단계와 다음단계간에 공정조건이 급격하게 변하게 되면 각 단계에 의해 형성된 층간에 보이드(void)와 같은 결함(defect)이 발생하게 되고, 이는 후에 CMP 공정에 의해 평탄화 공정중에 표면의 결함으로 존재하게 되어 브릿지(bridge) 현상과 같은 결함을 유발한다는 문제가 있다.

도 1 내지 도 3은 다단계 증착법에 의해 산화물을 증착할 경우 표면 및 각 층간에 발생하는 보이드와 같은 결함을 보여주는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이 이러한 결함은 전체 웨이퍼에 있어서 특정 지역에만 집중적으로 분포되는 경향이 있으며, 특히 CMP 공정을 거친후 평면도를 전자현미경으로 찍어보면 도 2에 표시된 바와 같이 표면에 보이드가 존재함이 명백하게 나타나고, 특히 도 3에 도시된 바와 같이 층간에도 이상 막질이 형성되는 양상을 보이게 된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 다단계 증착법을 적용하더라도 보이드와 같은 결함의 발생을 억제할 수 있는 반도체 소자의 제조 방법을 제공하는데에 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 고밀도 플라즈마를 통해 여러 단계에 걸쳐 공정조건을 변화시켜가면서 산화물을 형성하는 공정에 있어서, 각 공정 단계 사이에 다음단계의 초기조건으로 반응 조건을 설정해 주는 완충단계를 두는 것을 특징으로 한다.

기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.

다만, 도 4에 표시된 공정 흐름도는 다른 기능성막을 형성함에 있어서도 적용가능하나 본 발명에서는 산화막, 특히 SiH4 가스를 고밀도 플라즈마 공정(HDP)을 이용하여 형성함에 있어서 적용가능하다.

본 발명에 실시예에 의한 산화막을 형성하기 위해서는 먼저, 고밀도 플라즈마챔버 내부에 제1 공정조건을 적용하여 산화물을 증착시킨다(S410).

이때 제1 공정조건에는 구체적으로 가스의 압력과 파워(power)조건이 제시될 수 있으며, 산화물은 반도체 기판의 활성영역을 나누는 소자분리영역(isolation)일 수도, 게이트절연막(gate oxide)일 수도, 층간절연막(ILD 1, ILD 2)일 수도, 금속간절연막(IMD 1, IMD 2)일 수도 있다.

구체적으로 산화막을 증착하는 조건은 고밀도 플라즈마(High Density Plasma)를 이용하여 SiH₄가스를 소스가스로 하여 소정의 제1 가스 압력과 제1 파워를 공정조건으로 하여 증착한다.

이러한 제1 증착공정은 일정시간동안 계속되고 원하는 두께로 원하는 모양의 산화물층이 형성되면 본 단계에 의한 증착 공정은 멈추게 된다.

다음으로, 제2 공정조건, 즉 제2 압력과 ,제2 파워를 가진 제2 공정조건에 들어가기전에 고밀도 플라즈마 챔버를 제2 공정조건에 맞도록 설정해준다.

본 설정 단계시 실제로 고밀도 플라즈마 챔버 내부에는 제2 공정조건에 이르지 않고 다만, 전체적인 가스의 압력과 파워를 제2 공정조건에 맞도록 설정해준다.

이로 인해 실제로 제2 공정 조건이 시작되었을때 고밀도 플라즈마 챔버는 초기에 hunting 내지 fluctuation 없이 원하는 제2 공정조건으로 곧바로 들어갈 수 있어 설정된 조건에 맞는 산화막을 형성할 수 있게 된다.

이 단계는 제1 공정조건에서 제2 공정조건으로 넘어가기전의 일종의 완충단계(buffer step)라고 할 수 있는데, 구체적으로 그 가스 압력 및 파워를 설정해주는 방법은 다음과 같다.

먼저, 가스 압력을 설정해주는 방법은 가스는 챔버로 통하는 경로와, 펌프로 통하는 경로에 의해 압력이 조절되는데, 일단 제2 공정단계로 접어들기 전에는 먼저 챔버는 닫아 놓고 펌프를 통해서 가스 압력을 조절한다. 그 후 제2 공정단계로 접어들면 펌프는 닫고 챔버를 열어 줌으로써 이미 제2 공정조건에 도달한 가스 압력을 챔버 내부로 제공해줄 수 있게 된다.

다음으로, 파워를 설정해주는 방법은 제2 공정 단계로 가기전에 제1 공정단계를 마친 경우, 갑작스럽게 제2 공정조건으로 파워를 올리거나 내리지 않고 일정한 일단 제2 공정조건에 맞는 파워를 설정한 후에 제2 공정 단계가 시작될때 제2 공정단계에 맞는 파워를 일정하게 공급해주게 되는 것이다.

즉, 제2 공정 단계 시작시 파워의 hunting 내지 fluctuation을 막고 제2 공정단계의 초기부터 안정적인 파워를 공급해주도록 해준다.

이와 같이 제2 공정단계로 들어가기 전에 제2 공정단계의 공정조건에 맞는 조건을 설정해주고 나서야 비로소 제2 공정단계를 시행하게 된다(430).

제2 공정 단계도 제1 공정 단계와 마찬가지로 일정시간이 지나면 멈추게 되는 단계로 그 공정 조건이 가스 압력과 파워로 대변될 수 있다.

제2 공정 단계가 완료되면 제3 공정 단계로 넘어가야 하는데, 이때 제2 공정단계와 제3 공정단계 사이에 앞서 설명한 또다른 완충단계를 두게 되면, 제2 공정 단계에서 제3 공정단계로 넘어감에 있어서 공정조건의 hunting 이나 fluctuation이 발생하지는 않을 것이며 보다 안정적이고 치밀한 산화막이 얻어질 것이다.

다만, 본 발명에서는 총 세개의 단계가 산화물의 형성을 위해 존재한다는 가정하에 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 실제로 산화물을 형성하는 공정에 있어서는 이보다 많은 단계가 존재할 수도, 이 보다 적은 단계가 존재할 수도 있을 것이다.

따라서, 본 발명은 본 발명의 실시예에서 제시한 단계의 갯수에 의미가 있는 것은 아니며, 어느 일정한 단계에서 다음 단계로 넘어감에 있어서 급작하게 다음 공정조건을 적용하는 것이 아니라 일정한 완충단계, 구체적으로는 다음 공정 단계에 맞는 공정조건을 설정해주는 단계를 둠으로써 전단계에서 다음단계로 급격하게 공정조건이 변함으로써 생기는 hunting 이나 fluctuation과 같은 현상을 방지할 수 있어 각 단계에 의해 생기는 막층들 간에 서로 스트레스(stress)나 보이드(void)와 같은 결함(defect)을 방지할 수 있는데 본 발명의 기술적 사상의 핵심이 존재한다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

본 발명의 실시예에 따른 반도체

소자의 제조 방법에 의하면 특히, 산화물을 여러단계에 걸쳐서 증착하는 공정에 있어서 각 공정 단계를 적용함에 있어서 각 공정단계간에 발생하는 공정조건의 급작스러운 변화 및 이에 따른 피증착물 내부의 결함을 방지할 수 있게 된다.

Claims (4)

1. 고밀도 플라즈마를 통해 여러 단계에 걸쳐 공정조건을 변화시켜 가면서 산화물을 형성하는 공정에 있어서,

   각 공정 단계 사이에 다음단계의 초기조건으로 반응 조건을 설정해 주는 완충단계를 두는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 산화물을 소자분리영역, 층간절연막, 금속간절연막 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 산화물은 SiH₄ 가스를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   공정 조건은 가스의 압력과 파워로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.

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