KR20080016338A - 표면 세정을 포함하는 반도체소자 제조방법 - Google Patents
표면 세정을 포함하는 반도체소자 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
표면 세정을 포함하는 반도체소자 제조방법을 제시한다. 본 발명에 따르면, 반도체 기판 상에 콘택홀을 가지는 절연층을 형성하고, 콘택홀에 노출된 표면의 자연산화물 오염물을 알코올류 유기화합물, 예컨대, 글리콜류 유기화합물 또는 이소프로필알코올(IPA)에 분산된 불소(F)를 포함하는 화학종을 포함하는 식각액(etchant)을 이용하여 바람직하게 1.0 이하의 저선택비(low selectivity)를 구현하며 세정한다. 이후, 콘택홀을 도전층으로 채워 연결콘택을 형성한다.
자연산화물, SAC, 글리콜, IPA, 불산
Description
도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 표면 세정을 포함하는 반도체소자 제조방법을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도들이다.
도 4 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 표면 세정을 포함하는 반도체소자 제조방법의 변형예를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도들이다.
본 발명은 반도체소자에 관한 것으로, 특히, 층의 표면으로부터 자연산화물(native oxide)을 포함하는 표면오염물(contamination)을 제거하는 세정(surface cleaning)방법을 포함하는 반도체소자 제조방법에 에 관한 것이다.
반도체소자의 디자인룰(design rule)이 감소됨에 따라, 80㎚ 이하의 미세선폭을 가지는 초단채널 모스(MOS) 트랜지스터들이 반도체기판 상에 집적되고 있다. 또한, 이와 같이 반도체소자의 디자인룰이 감소됨에 따라, 연결배선의 구조 또는 소자를 형성할 때 자연산화물과 같은 표면오염물을 제거하는 과정에 여러 제약 또는 공정마진(process margin)의 한계가 발생하고 있다.
예컨대, 연결콘택은 트랜지스터들의 소스(source) 또는/ 및 드레인(drain)과 같은 접합(junction)에 접촉 연결되는 구조로 형성된다. 이때, 연결콘택의 접촉면적을 보다 확보하기 위해서, 게이트 스택(gate stack)이 식각 장벽(etch barrier)으로 작용하도록 하는 자기정렬콘택(SAC: Self Aligned Contact) 과정으로 형성되고 있다. 이러한 SAC을 형성하는 과정에서, 정션(junction)과 연결콘택 간의 접촉저항의 개선을 위해서, 정션층의 표면에 수반된 오염물, 예컨대, 자연산화물을 세정하여 제거하는 과정이 도전 플러그(plug)층의 증착 이전에 도입되고 있다.
이러한 자연산화물을 제거하는 과정은 주로 버퍼산화물에천트(BOE: Buffered Oxide Etchant)나 희석불산(diluted HF)을 습식액으로 이용하는 습식 과정으로 수행되고 있다. 그런데, 이러한 습식세정 과정에서 콘택홀(contact hole)의 측벽을 이루는 절연층 부분이 원하지 않게 침식 소모(loss)되는 현상이 발생되고 있다. 이러한 침식 소모 현상은 이러한 습식세정을 수행하는 과정에 제약 또는 한계 요소로 인식되고 있다.
구체적으로 설명하면, 반도체소자의 디자인룰이 감소됨에 따라, 콘택홀과 이웃하는 콘택홀을 분리 격리하는 절연층 부분의 선폭이 매우 협소해지고 있다. 따라서, 이러한 절연층 부분의 소모는 결국 콘택홀과 콘택홀 간의 충분한 격리를 보장하기 어렵게 한다. 이에 따라, 콘택홀을 채우는 연결콘택들 간에 전기적 단락(short)의 발생이 유발될 수 있다. 또한, 이러한 연결콘택에 연결되는 트랜지스터 소자 등에 누설 전류(leakage current)의 발생을 유발할 수 있다.
따라서, 자연산화물을 제거할 때 다른 주위의 절연층들 또는 다른 도전층, 반도체층 등에 대한 침식을 보다 억제할 수 있으며, 자연산화물을 보다 효과적으로 제거할 수 있는 세정 방법의 개발이 요구되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 층간절연층의 소실을 억제하며 자연산화물을 제거할 수 있는 표면 세정을 포함하는 반도체소자 제조방법을 제시하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 관점은, 세정 대상층의 표면 오염물을 알코올류 유기화합물에 분산된 불소(F)를 포함하는 화학종을 포함하는 식각액(etchant)을 이용하여 세정하는 단계를 포함하는 반도체소자 제조방법을 제시한다.
본 발명의 다른 일 관점은, 절연층에 의한 노출되는 세정 대상층 표면의 오염물을 알코올류 유기화합물에 분산된 불소(F)를 포함하는 화학종을 포함하는 식각액(etchant)을 이용하여 세정하는 단계를 포함하는 반도체소자 제조방법을 제시한다.
본 발명의 또 다른 일 관점은, 하부층 상에 절연층을 형성하는 단계, 상기 절연층을 선택적 식각하여 상기 하부층의 표면을 노출하는 콘택홀을 형성하는 단계, 상기 콘택홀에 노출된 상기 하부층 표면의 오염물을 알코올류 유기화합물에 분산된 불소(F)를 포함하는 화학종을 포함하는 식각액(etchant)을 이용하여 세정하는 단계, 및 상기 콘택홀을 도전층으로 채워 연결콘택을 형성하는 단계를 포함하는 반 도체소자 제조방법을 제시한다.
본 발명의 또 다른 일 관점은, 반도체 기판 상에 제1도전층, 측부의 스페이서 및 상부의 캡층을 포함하는 스택(stack)들을 형성하는 단계, 상기 스택들을 덮는 절연층을 형성하는 단계, 상기 절연층을 상기 스페이서 및 상기 캡층을 장벽으로 이용하여 식각하여 콘택홀을 형성하는 단계, 상기 콘택홀에 노출된 상기 반도체 기판의 표면에 수반된 오염물을 알코올류 유기화합물에 분산된 불소(F)를 포함하는 화학종을 포함하는 식각액(etchant)을 이용하여 세정하는 단계, 상기 세정된 콘택홀을 채우는 제2도전층을 형성하는 단계, 및 상기 제2도전층을 상기 캡층이 노출되게 평탄화하여 상기 스택 및 잔류하는 상기 절연층 부분에 의해 분리된 연결콘택들을 형성하는 단계를 포함하는 반도체소자 제조방법을 제시한다.
상기 세정 대상층 또는 하부층은 실리콘 기판, 다결정실리콘층, 비정질실리콘층, 텅스텐(W)층, 텅스텐질화물(WN)층, 텅스텐실리사이드(WSix)층, 티타늄(Ti)층, 티타늄질화물(TiN)층, 구리(Cu)층, 알루미늄(Al)층 및 아연(Zn)층을 포함하는 일군에서 선택되는 어느 하나의 층을 포함할 수 있다.
상기 세정은 상기 알코올류 유기화합물로 이소프로필알코올(IPA)을 적어도 80% 이상 포함하고 상기 이소프로필알코올에 불산(HF), 불소 이온(F-) 또는 불산 이온(HF2 -)이 상기 불소(F)를 포함하는 화학종으로 많아야 20% 미만으로 분산된 상기 식각액을 이용하여 수행될 수 있다.
상기 세정은 상기 알코올류 유기화합물로 글리콜(glycol)류 유기화합물을 적어도 80% 이상 포함하고 상기 글리콜(glycol)류 유기화합물에 불산(HF), 불소 이온(F-) 또는 불산 이온(HF2 -)이 상기 불소(F)를 포함하는 화학종으로 많아야 20% 미만으로 분산된 상기 식각액을 이용하여 수행될 수 있다.
상기 식각액은 상기 불소(F)를 포함하는 화학종의 분산을 촉진하는 분산제를 더 포함할 수 있다.
상기 세정은 수분 함량이 많아야 10% 미만으로 제어된 상기 식각액을 이용하여 수행될 수 있다.
상기 세정은 상기 알코올류 유기화합물 용액에 불산(HF) 용액을 혼합하여 마련된 상기 식각액을 이용하여 수행될 수 있다.
상기 세정은 상기 식각액을 이용하여 상기 세정 대상층 표면 또는 상기 반도체 기판 표면에 형성된 자연산화물(native oxide) 또는 식각잔류물을 제거하게 수행될 수 있다.
상기 절연층은 보로포스포실리케이트글래스(BPSG), 포스포실리케이트글래스(PSG), 보로실리케이트글래스(BSG), 저압-테오스(LP-TEOS), 플라즈마개선-테오스(PE-TEOS), 고밀도플라즈마실리콘산화물(HDP silicon oxide), 언도프트실리케이트글래스(USG), 저압-질화물(LP-nitride), 플라즈마개선질화물(PE-nitride), 실리콘산질화물(SiON), 스핀온유전물(SOD) 또는 열산화물(thermal oxide)을 포함하는 일군에서 선택되는 어느 하나의 절연 물질을 포함하여 형성될 수 있다.
상기 제1도전층은 게이트 유전층을 하부에 수반하는 게이트층으로 형성되고, 상기 스페이서 및 상기 캡층은 실리콘 질화물을 포함하여 형성되고, 상기 절연층은 보로포스포실리케이트(BPSG)층을 포함하여 형성되고, 상기 절연층의 하부에 상기 스페이서 및 상기 캡층을 덮는 스페이서 절연층을 언도프트실리케이트글래스(USG)층을 포함하여 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 세정은 상기 절연층 및 상기 스페이서, 상기 캡층의 식각율이 자연산화물에 대해 많아야 3.0배 이하가 되게 상기 불소(F)를 포함하는 화학종의 함량이 제어된 상기 식각액을 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명에 따르면, 층간절연층의 소실을 억제하며 자연산화물을 제거할 수 있는 표면 세정을 포함하는 반도체소자 제조방법을 제시할 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로 해석되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에서는, 세정 대상층의 표면 오염물을 알코올(alcohol)류 유기화합물에 분산된 불소(F)를 포함하는 화학종(species)을 포함하는 식각액(etchant)을 이용하여 세정하는 방법을 제시한다. 세정 대상층은 비산화물의 층, 예컨대, 실리콘 기판의 단결정 실리콘층이나 다결정실리콘층 등일 수 있으며, 세정 대상은 이러한 층 표면에 자발적 산화에 의해 발생된 자연산화물(native oxide)일 수 있다. 또한, 세정 대상층은 실리콘 기판, 다결정실리콘층, 비정질실리콘층, 텅스텐(W)층, 텅스텐질화물(WN)층, 텅스텐실리사이드(WSix)층, 티타늄(Ti)층, 티타늄질화물(TiN)층, 구리(Cu)층, 알루미늄(Al)층 또는 아연(Zn)층일 수 있다.
이러한 자연산화물은 실리콘산화물로 예시될 수 있다. 이때, 이러한 자연산화물은 화학기상증착(CVD)나 스핀 코팅(spin coating) 등과 같은 증착 방법에 의해 형성된 실리콘 산화물층에 비해 치밀한 결합 구조, 예컨대, 공유 결합 구조를 가지고 있어, 증착에 의한 산화물층에 비해 식각액, 예컨대, 희석불산(diluted HF) 용액에 대해 낮은 습식 식각율을 나타내고 있다. 따라서, 실리콘 산화물 증착층에 의해 노출된 세정 대상층 표면으로부터 자연산화물을 희석불산 용액을 이용하여 제거하는 과정에서, 원하지 않는 실리콘 산화물 증착층의 심각한 소실이 발생될 수 있다. 이에 따라, 자기정렬콘택(SAC) 형성 과정 등에서 연결콘택들이 전기적으로 단락되거나 연결콘택들 사이에 전류누설이 발생하는 원하지 않는 현상이 발생될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 알코올(alcohol)류 유기화합물에 분산된 불소(F)를 포함하는 화학종(species)을 포함하는 식각액(etchant)을 이용하여, 바람직하게 실리콘 산화물 증착층을 포함하는 다른 증착층들에의 손실을 효과적으로 억제하며, 세정 대상층 표면으로부터 특히 자연산화물을 제거하는 방법을 제시한다.
불소를 포함하는 화학종은 불산(HF), 불소 이온(F-) 또는 불산 이온(HF2 -)을 의미하는 것으로 해석될 수 있다. 이러한 불소를 포함하는 화학종은 알코올류 유기 화합물에 분산된 상태로 이해되며, 이러한 분산을 촉진하기 위해서 분산제(surfactant)가 식각액에 첨가될 수 있다. 이때, 불소를 포함하는 화학종은 불산 용액을 알코올류 유기화합물의 용액에 혼합함으로써 분산될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 식각액은 많아야 10% 미만의 수분(H2O)을 함유하도록 제어되는 것이 바람직하다.
알코올류 유기화합물로는, 이소프로필알코올(IPA: (CH3)2CHOH)이 알코올류가 이용될 수 있으며, 또한, 히드록시기(OH) 2개가 서로 다른 탄소(C) 원자와 결합하고 있는 유기화합물군인 글리콜(glycol)류가 유용하게 이용될 수 있다. 예컨대, 글리콜류는 간단한 에틸렌글리콜(CH2OHCH2OH)과 같은 탄소(C), 수소(H) 및 히드록시기(OH)를 포함하는 화합물로 이해될 수 있다. 이러한 글리콜류 유기화합물은 반도체 공정에 적합하게 물성이 제어되도록 화학량론적 비(stoichiometric equation)가 조절된 에틸렌글리콜로 이해될 수 있다.
이때, 글리콜의 경우 다른 증착층들에 대한 자연산화물의 식각 선택비를 대략 3.0 이하, 바람직하게 1 이하로 낮게 구현하는 데 보다 유효한 것으로 평가되고 있다. 실질적으로 자연산화물에 비해 보로포스포실리케이트글래스(BPSG)와 같은 증착 절연층은 희석불산 용액에 대해 매우 높은 식각율을 나타내고 있는 것을 고려할 때, 본 발명의 실시예에서 제시하는 식각액은 자연산화물 대비 식각비를 낮게 제어한, 즉, 낮은 선택비(low selectivity) 세정액으로 이해될 수 있다.
본 발명의 실시예에 제시되는 식각액은 자연산화물과 다른 증착된 산화물층 과의 식각 선택비 차이를 낮춰주는 효과를 구현하는 것으로 실험적으로 평가되고 있다. 특히, 반도체 소자의 층간절연층으로 주로 이용되고 있는 BPSG층에 대한 시각율을 낮게 유도할 수 있어, 콘택 형성 과정에서 층간절연층에 대한 손실을 방지하며 하부의 정션(junction) 영역이나 다른 도전층 표면으로부터 자연산화물을 제거하는 효과를 구현할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 제시되는 세정 방법은 자기정렬콘택(SAC)과 같은 층간절연층의 손실 방지가 필수적으로 요구되는 과정에서 자연산화물을 제거하는 세정에 이용될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 세정 방법은 자연산화물을 제거하는 다른 반도체소자 제조과정에 적용될 수 있으며, 또한, 자연산화물과 함께 식각잔류물(etch residue)과 같은 다른 표면 오염물을 제거하는 과정에 적용될 수 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 표면 세정을 포함하는 반도체소자 제조방법을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면들이다. 본 발명의 실시예에서는 절연층에 의한 노출되는 세정 대상층 표면을 세정하는 과정을 예시한다.
도 1을 참조하면, 반도체 기판(110)과 같은 세정 대상층을 도입한다. 이때, 반도체 기판(110)에는 실리콘 산화물층을 포함하는 소자분리층(120)이 얕은트렌치소자분리(STI) 구조가 형성될 수 있다. 이러한 반도체 기판(110) 상에 기판 표면을 일부 노출하는 콘택홀(contact hole: 135) 또는 오프닝부(opening)를 가지는 절연층(130)이 바람직하게 실리콘산화물층을 포함하여 형성될 수 있다. 절연층(130)의 콘택홀(135)에 노출된 반도체 기판(110) 표면에는 실리콘의 자연산화에 의한 자연 산화물 등을 포함하는 표면 오염물(140)이 발생될 수 있다. 이때, 표면 오염물(140)은 콘택홀(135)의 식각에 수반된 식각잔류물을 더 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 이러한 표면 오염물(140)을 알코올류 유기화합물에 분산된 불소(F)를 포함하는 화학종을 포함하는 식각액을 이용하여 습식 세정한다. 식각액은, 알코올류 유기화합물로 이소프로필알코올(IPA) 또는 글리콜을 적어도 80% 이상 포함할 수 있다. 또한, 이소프로필알코올 또는 글리콜에 불산(HF), 불소 이온(F-) 또는 불산 이온(HF2 -)이 불소(F)를 포함하는 화학종으로 많아야 20% 미만으로 분산되어 식각액이 구성될 수 있다. 이때, 글리콜이 절연층(130)이 식각액에 의해 식각되는 정도를 보다 효과적으로 억제하는 것으로 실험적으로 평가된다. 이때, 식각액을 구성하는 성분들의 백분율(%)는 무게 백분율(wt %)로 이해된다.
절연층(130)은 BPSG를 포함하여 형성될 수 있으며, 이때, 보론은 대략 20mol% 이하, 포스포로스는 대략 30mol% 이하로 함유될 수 있다. 이러한 BPSG는 보론 및 포스포로스의 함유에 의해 실리콘 원자와 산소 원자가 자연산화물의 표면 오염물(140)에 비해 치밀하게 결합되지 못한 구조를 가지게 된다. 자연산화물의 경우 실질적으로 실리콘 원자와 산소 원자가 공유 결합을 통한 구조로 이루어지고 있으나, BPSG는 보론이나 포스포로스에 의해 이러한 공유 결합이 군데군데 끊어진 구조로 이루어지게 된다. 따라서, BPSG는 상대적으로 덜 치밀한 실리콘 산화물 구조를 가지는 것으로 이해될 수 있다.
따라서, 종래의 경우와 같이 희석불산용액을 이용하여 표면 오염물(140)을 세정 제거할 경우, 자연산화물의 식각 제거 속도에 비해 BPSG의 식각 제거 속도가 월등하게 되고, 이에 따라, 콘택홀(135)들 사이 부분이 크게 소실되어 잔류하는 부분(131)이 매우 협소해지거나 콘택홀(135)들간에 연결되게 소실될 수 있다.
이에 비해 본 발명의 실시예의 식각액의 경우 불소 화학종이 실리콘 산화물의 공유 결합을 끊어주는 역할을 하지만, 글리콜 등의 성분이 BPSG의 끊어져 있는 결합기들을 패시베이션(passivation)하여 전위친화도(electro negativity) 차이를 낮춰 조절하는 역할을 하는 것으로 이해될 수 있다. 따라서, 식각액의 글리콜 등의 성분이 자연산화물에 대한 BPSG의 식각율을 낮춰주는 역할을 하는 것으로 이해될 수 있다. 따라서, 본 발명의 식각액은 자연산화물에 대한 BPSG의 식각 선택비를 보다 낮게 유도하는 효과, 예컨대, 대략 3.0 이하의 낮은 식각선택비를 구현할 수 있다.
희석불산(DHF)을 이용한 습식 세정이나 LAL15(300: 1 BOE)의 경우 자연산화물 대비 BPSG의 식각 선택비는 적어도 5 이상으로 알려져 있으며, 일반적으로 7 내지 8 정도, 심할 경우 9 이상으로 측정되고 있다. 즉, 자연산화물에 비해 BPSG가 적어도 7-8배 정도 빠르게 식각 제거되는 것으로 평가된다.
이에 비해, 본 발명의 실시예에 따른 글리콜류 및 불소 화학종을 포함하는 식각액을 이용할 경우, 바람직하게 식각 선택비가 1 이하로 구현될 수 있는 것으로 실험적으로 평가되고 있다. 즉, 자연산화물에 대비하여 BPSG와 같은 증착 산화물의 식각 속도가 실질적으로 대등하게 유도하거나 또는 BPSG 대비 자연산화물의 식각 속도가 상대적으로 높은 결과를 얻을 수 있다.
이에 따라, 자연산화물의 제거에 따른 BPSG를 포함하는 절연층(130)의 손실 또는 침식을 상대적으로 더 효과적으로 억제할 수 있다. 따라서, 절연층(130) 손실에 따른 문제들이 해소될 수 있다.
도 3을 참조하면, 자연산화물을 포함하는 표면 오염물(140)이 제거된 콘택홀(135)을 채우는 도전층을 형성하고, 화학기계적연마(CMP) 또는 에치백(etch-back) 등으로 평탄화하여 연결콘택(150) 또는 플러그(plug)를 형성한다. 이때, 절연층(130)의 손실이 방지되었으므로, 연결콘택(150)들 간의 격리 또한 충분히 유지될 수 있다.
이제까지 세정 대상층을 반도체 기판(110)의 단결정 실리콘층 부분(또는 이 부분에 형성된 정션층 부분)을 예시하여 설명하였지만, 본 발명의 실시예에 따른 세정은 다른 도전층 또는 실리콘층, 반도체층 표면을 세정하는 데 적용될 수 있다. 예컨대, 세정 대상층이 실리콘 기판, 다결정실리콘층, 비정질실리콘층, 텅스텐(W)층, 텅스텐질화물(WN)층, 텅스텐실리사이드(WSix)층, 티타늄(Ti)층, 티타늄질화물(TiN)층, 구리(Cu)층, 알루미늄(Al)층 또는 아연(Zn)층일 수 있다. 또한, 본 발명의 식각액은 이러한 세정 대상층이 자연산화물에 대해 낮은 선택비, 예컨대, 대략 3.0 이하의 식각선택비를 가지게 할 수 있어, 이러한 세정 대상층에의 침식을 보다 억제하며 자연산화물을 제거할 수 있다.
또한, 절연층(130) 또한 BPSG를 예시하였으나, 보로포스포실리케이트글래스(BPSG), 포스포실리케이트글래스(PSG), 보로실리케이트글래스(BSG), 저압-테오 스(LP-TEOS), 플라즈마개선-테오스(PE-TEOS), 고밀도플라즈마실리콘산화물(HDP silicon oxide), 언도프트실리케이트글래스(USG), 저압-질화물(LP-nitride), 플라즈마개선질화물(PE-nitride), 실리콘산질화물(SiON), 스핀온유전물(SOD) 또는 열산화물(thermal oxide)이 자연산화물에 대해서 대략 3.0 이하의 낮은 식각선택비, 바람직하게 1 이하의 식각선택비를 구현하도록 본 발명의 실시예에 의한 식각액은 유도할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 식각액은 자연산화물 등을 포함하는 표면 오염물(140)을 제거하는 세정에 이용될 수 있으며, 자연산화물 및 식각잔류물을 함께 제거하는 세정에도 적용될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 식각액은 예시한 바와 같이 콘택(150) 형성 전 세정에 이용될 수 있으며, 또한, SAC 과정 등에도 적용될 수 있고, 다른 자연산화물의 제거를 요구하는 반도체소자 제조과정에 응용될 수 있다.
도 4 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 표면 세정을 포함하는 반도체소자 제조방법의 변형예를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면들이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 표면 세정액 및 세정 방법은 SAC 과정에 응용될 수 있다. 이때, 층간 절연층의 소실 또는 손상에 따른 초단채널 MOS 트랜지스터의 성능 열화를 방지할 수 있어, 배선 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
먼저, 반도체 기판(210)에 STI 과정을 수행하고, 반도체 기판(210) 상에 게이트 스택(gate stack: 220)을 형성한다. 즉, 게이트 유전층(221), 게이트층인 제1도전층(222, 223), 측부의 실리콘질화물(SiN) 스페이서(224) 및 상부의 실리콘질화 물의 마스크층(mask layer) 또는 캡층(capping layer: 225)을 포함하는 게이트 스택(stack)들을 형성한다.
이때, 스페이서(224)는 대략 5 내지 300Å 두께의 실리콘질화물(SiN)층을 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 실리콘질화물층 및 실리콘산화물층의 이중층을 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 제1도전층(222, 223)은 장벽 금속층 또는 다결정실리콘층의 하부 도전층(222)과, 텅스텐층 또는 텅스텐실리사이드층인 상부 도전층(223)의 복합층 구조로 형성될 수 있다. 이후에, 바람직하게 대략 1000Å 이하 두께의 언도프트실리케이트글래스(USG)층의 스페이서 절연층(230)을 형성한다. 이때, USG층은 상압화학기상증착(APCVD), 저압화학기상증착(LPCVD) 또는 원자층증착(ALD)등으로 증착될 수 있다.
도 5를 참조하면, 게이트 스택(220)을 덮게 스페이서 절연층(230) 상에 층간 절연층(240)을 바람직하게 BPSG층을 포함하여 형성한다. BPSG층은 20mol% 이하의 보론 및 30mol% 이하의 포스포로스를 함유하게 증착될 수 있다. BPSG층을 증착한 후 CMP 등으로 평탄화한다.
도 6을 참조하면, 층간 절연층(240)을 스페이서(224) 및 캡층(225)을 식각 장벽으로 이용하여 식각하여 다수의 게이트 스택(220)들을 노출하게 확장된 콘택홀(241) 또는 오프닝부를 형성한다. 이러한 과정은 SAC 과정을 따르는 것으로 이해될 수 있다. 이때, 캡층(225)의 일부는 식각되어 소실된 부분(245)이 발생될 수도 있다.
도 7을 참조하면, 콘택홀(241)에 노출된 반도체 기판(200)의 표면에 수반된 오염물(250)을 알코올류 유기화합물에 분산된 불소(F)를 포함하는 화학종을 포함하는 식각액을 이용하여 세정한다. 이러한 세정은 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이 층간 절연층(240)의 소실을 바람직하게 억제하며 오염물(250)의 자연산화물을 반도체 기판(200)의 표면으로부터 제거할 수 있다.
도 8을 참조하면, 세정된 콘택홀(241)을 채우는 제2도전층(260)을 형성한다. 제2도전층(260)은 바람직하게 도핑된 다결정 실리콘층을 증착하여 형성될 수 있다.
도 9를 참조하면, 제2도전층(260)을 캡층(225)이 노출되게 CMP 등으로 평탄화한다. 이에 따라, 게이트 스택(220) 및 잔류하는 층간 절연층(240) 부분에 의해 분리된 연결콘택(261)들이 형성된다. 이러한 연결콘택(261)들은 트랜지스터의 정션 영역에 연결되는 플러그로도 이해될 수 있다.
상술한 본 발명에 따르면, 자연산화물에 대한 층간 절연층 등의 낮은 식각선택비를 구현하는 세정을, 불소 화학종 및 글리콜 성분을 포함하는 식각액을 이용하여 구현할 수 있다. 이러한 세정은 자연 산화물 이외에 세정 시 사용되는 식각액에 노출되는 자연산화물 이외의 다른 막질층에의 손상을 억제할 수 있다. 즉, 자연산화물에 대한 다른 절연층 또는 도전층, 반도체층 등의 막질의 식각 선택비를 낮게 유도하여, 자연산화물의 오염물이 제거될 때 다른 막질층이 세정에 사용된 식각액에 의해 침식 또는 손상되는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
따라서, 80㎚급 이하 최소 선폭의 초고집적 소자에서, 자연산화물 제거 세정에 층간절연층 등이 원하지 않게 소실되어 MOS 트랜지스터의 성능 열화가 발생되는 것을 방지할 있다. 또한, SAC 과정에서 콘택홀들 사이를 격리하는 층간 절연층 부분이 소실되어 연결콘택들 간에 누설 전류가 발생되거나 또는 단락되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 보다 신뢰성 있는 반도체 소자의 배선 구조의 형성을 구현할 수 있다.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
Claims (22)
- 세정 대상층의 표면 오염물을 알코올류 유기화합물에 분산된 불소(F)를 포함하는 화학종을 포함하는 식각액(etchant)을 이용하여 세정하는 단계를 포함하는 반도체소자 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 세정 대상층은 실리콘 기판, 다결정실리콘층, 비정질실리콘층, 텅스텐(W)층, 텅스텐질화물(WN)층, 텅스텐실리사이드(WSix)층, 티타늄(Ti)층, 티타늄질화물(TiN)층, 구리(Cu)층, 알루미늄(Al)층 및 아연(Zn)층을 포함하는 일군에서 선택되는 어느 하나의 층을 포함하는 반도체소자 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 세정은 상기 알코올류 유기화합물로 이소프로필알코올(IPA)을 적어도 80% 이상 포함하고 상기 이소프로필알코올에 불산(HF), 불소 이온(F-) 또는 불산 이온(HF2 -)이 상기 불소(F)를 포함하는 화학종으로 많아야 20% 미만으로 분산된 상기 식각액을 이용하여 수행되는 반도체소자 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 세정은 상기 알코올류 유기화합물로 글리콜(glycol)류 유기화합물을 적어도 80% 이상 포함하고 상기 글리콜(glycol)류 유기화합물에 불산(HF), 불소 이온(F-) 또는 불산 이온(HF2 -)이 상기 불소(F)를 포함하는 화학종으로 많아야 20% 미만으로 분산된 상기 식각액을 이용하여 수행되는 반도체소자 제조방법.
- 제3항 또는 제4항에 있어서,상기 식각액은 상기 불소(F)를 포함하는 화학종의 분산을 촉진하는 분산제(surfactant)를 첨가제(ingredient)로 더 포함하는 반도체소자 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 세정은 수분 함량이 많아야 10% 미만으로 제어된 상기 식각액을 이용하여 수행되는 반도체소자 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 세정은 상기 알코올류 유기화합물 용액에 불산(HF) 용액을 혼합하여 마련된 상기 식각액을 이용하여 수행되는 반도체소자 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 세정은 상기 식각액을 이용하여 상기 세정 대상층 표면에 형성된 자연산화물(native oxide)을 제거하게 수행되는 반도체소자 제조방법.
- 절연층에 의한 노출되는 세정 대상층 표면의 오염물을 알코올류 유기화합물에 분산된 불소(F)를 포함하는 화학종을 포함하는 식각액(etchant)을 이용하여 세정하는 단계를 포함하는 반도체소자 제조방법.
- 제9항에 있어서,상기 세정은 상기 알코올류 유기화합물로 이소프로필알코올(IPA) 또는 글리콜류 유기화합물을 적어도 80% 이상 포함하고 상기 유기화합물에 불산(HF), 불소 이온(F-) 또는 불산 이온(HF2 -)이 상기 불소(F)를 포함하는 화학종으로 많아야 20% 미만으로 분산된 상기 식각액을 이용하여 수행되는 반도체소자 제조방법.
- 제9항에 있어서,상기 절연층은 보로포스포실리케이트글래스(BPSG), 포스포실리케이트글래스(PSG), 보로실리케이트글래스(BSG), 저압-테오스(LP-TEOS), 플라즈마개선-테오스(PE-TEOS), 고밀도플라즈마실리콘산화물(HDP silicon oxide), 언도프트실리케이트글래스(USG), 저압-질화물(LP-nitride), 플라즈마개선질화물(PE-nitride), 실리콘산질화물(SiON), 스핀온유전물(SOD) 및 열산화물(thermal oxide)을 포함하는 일 군에서 선택되는 어느 하나의 절연 물질을 포함하여 형성된 반도체소자 제조방법.
- 하부층 상에 절연층을 형성하는 단계;상기 절연층을 선택적 식각하여 상기 하부층의 표면을 노출하는 콘택홀을 형성하는 단계;상기 콘택홀에 노출된 상기 하부층 표면의 오염물을 알코올류 유기화합물에 분산된 불소(F)를 포함하는 화학종을 포함하는 식각액(etchant)을 이용하여 세정하는 단계; 및상기 콘택홀을 도전층으로 채워 연결콘택을 형성하는 단계를 포함하는 반도체소자 제조방법.
- 제12항에 있어서,상기 세정은 상기 알코올류 유기화합물로 이소프로필알코올(IPA) 또는 글리콜류 유기화합물을 적어도 80% 이상 포함하고 상기 유기화합물에 불산(HF), 불소 이온(F-) 또는 불산 이온(HF2 -)이 상기 불소(F)를 포함하는 화학종으로 많아야 20% 미만으로 분산된 상기 식각액을 이용하여 수행되는 반도체소자 제조방법.
- 반도체 기판 상에 제1도전층, 측부의 스페이서 및 상부의 캡층을 포함하는 스택(stack)들을 형성하는 단계;상기 스택들을 덮는 절연층을 형성하는 단계;상기 절연층을 상기 스페이서 및 상기 캡층을 장벽으로 이용하여 식각하여 콘택홀을 형성하는 단계;상기 콘택홀에 노출된 상기 반도체 기판의 표면에 수반된 오염물을 알코올류 유기화합물에 분산된 불소(F)를 포함하는 화학종을 포함하는 식각액(etchant)을 이용하여 세정하는 단계;상기 세정된 콘택홀을 채우는 제2도전층을 형성하는 단계; 및상기 제2도전층을 상기 캡층이 노출되게 평탄화하여 상기 스택 및 잔류하는 상기 절연층 부분에 의해 분리된 연결콘택들을 형성하는 단계를 포함하는 반도체소자 제조방법.
- 제14항에 있어서,상기 제1도전층은 게이트 유전층을 하부에 수반하는 게이트층으로 형성되고,상기 스페이서 및 상기 캡층은 실리콘 질화물을 포함하여 형성되고,상기 절연층은 보로포스포실리케이트(BPSG)층을 포함하여 형성되고,상기 절연층의 하부에 상기 스페이서 및 상기 캡층을 덮는 스페이서 절연층을 언도프트실리케이트글래스(USG)층을 포함하여 형성하는 단계를 더 포함하는 반도체소자 제조방법.
- 제14항에 있어서,상기 세정은 상기 절연층 및 상기 스페이서, 상기 캡층의 식각율이 자연산화물에 대해 많아야 3.0배 이하가 되게 상기 불소(F)를 포함하는 화학종의 함량이 제어된 상기 식각액을 이용하여 수행되는 반도체소자 제조방법.
- 제14항에 있어서,상기 세정은 상기 절연층 및 상기 스페이서, 상기 캡층의 식각율이 자연산화물에 대해 많아야 1.0배 이하가 되게 상기 불소(F)를 포함하는 화학종의 함량이 제어된 상기 식각액을 이용하여 수행되는 반도체소자 제조방법.
- 제14항에 있어서,상기 세정은 상기 알코올류 유기화합물로 이소프로필알코올(IPA)을 적어도 80% 이상 포함하고 상기 유기화합물에 불산(HF), 불소 이온(F-) 또는 불산 이온(HF2 -)이 상기 불소(F)를 포함하는 화학종으로 많아야 20% 미만으로 분산된 상기 식각액을 이용하여 수행되는 반도체소자 제조방법.
- 제14항에 있어서,상기 세정은 상기 알코올류 유기화합물로 글리콜류 유기화합물을 적어도 80% 이상 포함하고 상기 유기화합물에 불산(HF), 불소 이온(F-) 또는 불산 이온(HF2 -)이 상기 불소(F)를 포함하는 화학종으로 많아야 20% 미만으로 분산된 상기 식각액을 이용하여 수행되는 반도체소자 제조방법.
- 제19항에 있어서,상기 식각액은 상기 불소(F)를 포함하는 화학종의 분산을 촉진하는 분산제(surfactant)를 첨가제(ingredient)로 더 포함하는 반도체소자 제조방법.
- 제14항에 있어서,상기 세정은 수분 함량이 많아야 10% 미만으로 제어된 상기 식각액을 이용하여 수행되는 반도체소자 제조방법.
- 제14항에 있어서,상기 세정은 상기 식각액을 이용하여 상기 하부층 표면에 잔류하는 식각잔류물(etch residue) 또는 자연산화물(native oxide)을 제거하게 수행되는 반도체소자 제조방법.
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