KR20080013269A - 반도체 소자 제조를 위한 박막형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 소자 제조를 위한 박막형성방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 반도체 소자 제조를 위한 박막 형성방법은, 박막 형성을 위한 증착공정시에 실란(SiH4), 산소(O2), 헬륨(He), 및 수소(H2)가스를 함께 사용하는 공정을 통하여 박막을 형성하는 구성을 가진다. 본 발명에 따르면, 보이드 없이 절연막 형성이 가능해져 갭필 능력이 향상되는 효과가 있다.

갭필, 수소, 절연막, HDP

Description

반도체 소자 제조를 위한 박막형성방법{Method for forming thin flim for use in fabricating semiconductor device}

도 1은 종래의 박막 형성방법을 도시한 공정단면도

도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형성방법을 도시한 공정단면도

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100 : 반도체 기판 112 : 패턴들

113 : 갭 114 : 절연막

본 발명은 반도체 소자 제조를 위한 박막형성방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 갭필 특성을 향상시킨 반도체 소자 제조를 위한 박막형성방법에 관한 것이다.

집적 회로 소자의 고성능화 및 고집적화를 위해서는 패턴의 미세화(scale down)가 필수적이다. 그러나, 패턴이 미세화 될 수록 인접한 구조물 사이에 존재하는 갭(gap)의 어스펙트비(aspect ratio)가 증가하게 된다. 그 결과, 보이드(void)를 유발하지 않고 상기 갭의 내부를 완전히 충전(fill)하기가 점점 더 어려워지고 있다.

여기서 "갭(gap)"이란, 서로 인접한 구조물 사이에 존재하는 오목부를 지칭하는 것으로서, 예컨대 얕은 트렌치 소자 격리(Shallow Trench Isolation, STI)를 위한 트렌치나 인접한 게이트 라인 구조물의 측벽에 의하여 한정되는 공간을 말한다.

보이드 없이 갭의 내부를 완전히 충전하기 위한 증착공정 중의 하나는 HDP-CVD 공정이다.

HDP-CVD 공정은 챔버 내부에 고밀도의 플라즈마를 발생시킨 다음, 피처리 기판 상에 소정의 물질막을 증착하는 공정이다. HDP-CVD 공정은 물질막의 증착과 스퍼터링이 동시에 진행되기 때문에, 갭 충전 특성이 상대적으로 우수하다. 또한, HDP-CVD 공정은 열 버짓(thermal budget)이 적고, HDP-CVD 공정의 결과물인 HDP산화막 등은 습식 식각율이 작은 장점도 있다. 따라서, 소자 격리용 트렌치와 같이 큰 어스펙트비를 갖는 갭을 충전하는 공정이나 층간절연막 형성공정에서는 HDP-CVD 공정이 널리 사용되고 있다.

기존의 HDP 절연막 증착공정에서는 예컨대, 소스 가스로서 실란(SiH4)과 산소(O2)를, 캐리어 가스로는 아르곤(Ar)을 사용한다.

그러나, 이 방법은 패턴이 미세화가 진전되어 어스펙트비가 계속 증가하면 서, 갭 충전 특성에 한계를 보이기 시작하였다. 예를 들어, 폭이 0.15㎛이고 어스펙트비가 4.5이상이 되는 수직벽을 갖는 갭에 대해서는 아르곤 가스를 캐리어가스로 사용하는 HDP-CVD 공정을 실시하더라도 보이드 없이 갭을 완전히 충전하기가 용이하지 않은 것으로 밝혀졌다.

HDP-CVD 공정에서 나타나는 이러한 갭 충전 특성의 한계는, 스퍼터링에 의한 재증착(redeposition) 현상 때문이다. 재증착 현상이란, 스퍼터링된 물질막이 갭의 반대편 벽에 퇴적되는 현상을 말한다. 재증착 현상이 과도하게 발생하면 갭이 완전히 충전되기 전에 재증착된 물질막에 의하여 갭의 입구가 막혀버려서, 충전된 물질막 내에 보이드 등을 유발하게 된다.

이러한 갭 충전 특성의 한계를 극복하기 위한 한 가지 방안은 캐리어 가스로서 원자량이 작은 가스를 사용하는 방법이 있다. 그리고, 다른 한 가지 방안은 HDP-CVD 공정을 실시한 후에 습식 에치 백(wet etch back)을 실시하는 방법이다.

캐리어 가스로 원자량이 작은 가스를 사용하는 전자에 의하면, 캐리어 가스로서 아르곤 가스를 사용하지 않고, 헬륨(He) 가스를 사용한다. 이 방법에 의하면, 캐리어 가스의 분자량이 작기 때문에 스퍼터링에 의한 재증착율을 감소시킬 수가 있고, 그 결과 갭 충전 특성을 개선시킬 수가 있다.

반면, HDP-CVD 공정을 실시한 후에 습식에치 백을 실시하는 방법인 후자에 의하면 습식 에치 백으로 재증착된 막을 일부 제거해주기 때문에, 갭 충전 특성을 개선시킬 수가 있다.

도 1에 종래의 캐리어 가스로 원자량이 작은 가스를 사용하는 방법인 실란가 스(SiH4), 산소가스(O2), 및 헬륨가스(He)를 이용하여 절연막을 형성하는 방법이 나타나 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(10)상에 일정 패턴(12)이 형성된다. 상기 패턴들(12)의 절연 등을 위하여 트렌치들이 형성되고, 상기 트렌치를 매우면서 상기 패턴들(12)을 덮는 절연막(14)이 형성된다.

상기 절연막(14)의 형성은 HDP-CVD 공정을 이용하여 수행된다. 즉 실란가스(SiH4), 산소가스(O2), 및 헬륨가스(He)를 이용하여 상기 절연막(14)을 형성한다.

이러한 방법들에도 불구하고 패턴들이 점차 고집적화되고 미세화됨에 따라 보이드(16) 불량에 따른 갭필 불량은 여전히 발생되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 극복할 수 있는 반도체 소자 제조를 위한 박막형성방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 보이드 발생을 방지 또는 최소화할 수 있는 반도체 소자 제조를 위한 박막형성방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 갭필 특성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자 제조를 위한 박막형성방법을 제공하는 데 있다.

상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 구체화에 따라, 본 발명에 따른 반도체 소자 제조를 위한 박막 형성방법은 상기 박막 형성을 위한 증착시에 실란(SiH4), 산소(O2), 헬륨(He), 및 수소(H2)가스를 함께 사용하는 구성을 가진다.

상기 박막형성공정은 HDP-CVD 공정일 수 있으며, 상기 박막은 미세 패턴들을 절연하기 위한 절연막일 수 있다.

상기한 구성에 따르면, 보이드를 억제할 수 있으며, 갭필 특성이 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 절연막은 층간절연막 또는 소자분리막일 수 있다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이, 첨부한 도면들을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 형성방법을 나타낸 공정순서단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(100)에 일정 패턴(112)이 형성된다. 상기 패턴들(112)은 갭 또는 트렌치(113)에 의해 격리된다.

반도체 기술의 개발에서 직면하는 계속적인 문제점중 하나인 기판 상의 회로 소자 및 상호접속부의 밀도를 증가시키는데 있어 이들 사이에 비적절한 상호작용을 없게 하는 것이다. 전형적으로 원치 않는 상호작용은 물리적 및 전기적으로 소자들을 절연시키기 위해 전기적 절연 물질로 충진되는 갭 또는 트렌치를 제공함으로써 방지된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 갭 또는 트렌치가 형성된 기판(100)에 절연막을 증착한다. 상기 절연막은 소자 분리를 위한 소자 분리막(STI)이거나 층간 절연막(ILD)일 수 있다.

상기 절연막은 HDP-CVD 공정을 이용하여 증착된다.

상기 HDP CVD는 종래의 PECVD 보다 높은 이온화 효율을 갖도록 전기장과 자기장을 인가하여 높은 밀도의 플라즈마 이온을 형성, 소스 가스를 분해하여 웨이퍼 상에 층간절연막을 증착하는 방식으로, 플라즈마를 발생시키는 소스 전원과 함께 웨이퍼 상에 증착된 층간절연막을 에칭시키는 바이어스 전원을 층간절연막이 증착되는 중에 인가함으로써, 층간절연막의 증착과 층간절연막의 스퍼터 에칭을 동시에 진행하는 방식이다.

HDP -CVD를 이용한 고밀도 플라즈마 절연막의 형성방법을 살펴보기로 한다. 절연막 형성방법은은 크게 3단계로 구성되어 있다. 즉, 소정의 단차를 가진 패턴(112)이 형성된 반도체 기판(100)을 반응챔버 내에 준비하는 단계와, 플라즈마 발생기에서 고밀도 플라즈마를 발생시켜 반도체 기판(100) 상에 절연막(114)을 형성하도록 하는 단계를 구비한다.

반도체 기판을 준비하는 단계는, 먼저 게이트 패턴과 같은 소정의 단차와 굴곡을 가진 패턴(112)을 포함하는 반도체 기판(100)을 장비의 반응챔버 내에 위치시킨다. 반응챔버 내부는 공정수행에 적정한 조건으로 분위기를 조성하여 공정을 준비한다. 이러한 분위기 조건에는 압력과 온도 및 분위기 가스등이 포함된다. 즉, 압력은 저압으로 유지하고, 온도는 상온이나 혹은 고온으로 유지한다. 분위기 가스 는 질소(N2), 아르곤(Ar) 등과 같은 불활성가스로서 반응기 내의 압력과 온도를 균일하게 유지시키는데 중요한 역할을 한다.

고밀도 플라즈마를 이용하여 절연막을 형성하는 단계는, 반응챔버 내부에 증착공정에 필요한 반응가스들을 공급한다. 여기서 반응가스들은 실리콘 산화막(SiO2)의 소스가스가 되는 실란(SiH4)과 산소(O2) 및 이들 가스를 운반하는 캐리어 역할을 하며 플라즈마 발생을 강화시킬 수 있는 보조가스로서 헬륨(He) 및 수소(H2) 등의 불활성기체가 포함된다. 즉 여기서 종래와 달리 헬륨(He) 및 수소(H2) 등의 불활성가스가 동시에 사용된다.

반응가스들은 플라즈마 발생기에 의해 플라즈마 가스로 변환되어 반응챔버의 내부로 공급된다.

반응챔버 내에는 플라즈마 발생기에서 공급된 플라즈마 가스가 반도체 기판(100) 상에 플라즈마 영역을 발생시킨다. 그러면, 플라즈마화된 반응가스들은 반도체 기판 상으로 이동되어 반도체 기판 표면 상에서 상호 화학반응을 일으키면서 증착되어 절연막인 실리콘 산화막(SiO2)등을 형성한다. 이렇게 증착되는 고밀도 플라즈마에 의한 절연막 형성공정은 증착속도가 매우 빠르면서 상대적으로 스텝커버리지(step coverage)가 좋은 장점이 있다.

이 경우에 사이즈가 작은 수소(H2)원자는 반응챔버 하부의 바이어스(bias) 파워, 즉 당기는 음(-)의 극성의 강한 힘에 의해 아랫방향으로 강한 직진성을 가져 갭(113)의 입구에 증착되어 갭필을 방해하는 프로파일을 스퍼터하여 갭필하고자 하는 곳에 다시 증착됨에 의해 갭필 능력이 향상되도록 한다.

따라서 보이드가 없이 갭필 능력이 향상된 절연막의 형성이 가능해진다.

상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 명백하다 할 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, HDP-CVD 공정에서 실란가스, 산소가스, 헬륨가스외에 수소가스를 첨가하여 공정을 수행하면, 보이드 없이 갭필능력이 향상된 절연막의 형성이 가능해진다.

Claims (4)

1. 반도체 소자 제조를 위한 박막 형성방법에 있어서:

   상기 박막 형성을 위한 증착공정시에 실란(SiH4), 산소(O2), 헬륨(He), 및 수소(H2)가스를 함께 사용하는 공정을 통하여 박막을 형성함을 특징으로 하는 박막형성방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 박막형성공정은 HDP-CVD 공정임을 특징으로 하는 박막형성방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 박막은 미세 패턴들을 절연하기 위한 절연막임을 특징으로 하는 박막형성방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 절연막은 층간절연막 또는 소자분리막임을 특징으로 하는 박막형성방법.

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