KR20090066941A - Method for fabricating landing plug contact in semicondutor device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체소자의 형성방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 반도체소자의 랜딩 플러그 콘택 형성방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of forming a semiconductor device, and more particularly, to a method of forming a landing plug contact of a semiconductor device.
반도체소자가 고집적화됨에 따라, 보다 우수한 특성의 반도체소자를 제조하기 위해 다양한 방법이 시도되고 있다. 특히, 제한된 영역에서 보다 많은 단위 셀들을 형성시켜야 하기 때문에, 실질적인 셀 영역의 감소에 따라, 콘택 사이즈도 감소되고 있다. 이에 따라, 셀 영역에 소자의 동작 효율을 높이고, 콘택마진을 보다 더 확보하기 위해, 산화막과 질화막의 식각선택비를 이용하여 식각프로파일을 얻는 자기정렬콘택(SAC;Self Aligned Contact) 공정을 적용하고 있다. As semiconductor devices are highly integrated, various methods have been attempted to manufacture semiconductor devices having better characteristics. In particular, as more unit cells have to be formed in the limited area, the contact size is also reduced with the substantial reduction of the cell area. Accordingly, in order to increase the operation efficiency of the device in the cell region and to further secure contact margins, a self aligned contact (SAC) process is applied to obtain an etch profile using an etch selectivity between oxide and nitride films. have.
그런데, 자기정렬콘택공정을 이용하여 랜딩플러그(landing plug)를 형성하는 과정에서 SAC 페일(fail) 등 여러 가진 문제점이 발생되고 있다. 특히, 셀 영역에요구되는 게이트전극의 사이즈가 줄어들면서, 자기정렬콘택 공정 시 오픈 면적(open area) 감소하고 있다. SAC 오픈 면적이 감소하면서, SAC 공정 마진( margin)은 점점 한계에 다다르고 있을 뿐만 아니라, 스페이서(spacer)의 두께도 얇 아지고 있다. 이에 따라, 랜딩플러그가 형성될 셀 영역 부분을 노출시키는 콘택홀 형성 시 게이트전극 측벽이 부분적으로 노출된다. 게이트전극이 노출된 부분은, 콘택홀 내부에 매립된 콘택용물질막 예컨대, 랜딩플러그폴리(LPP;Landing Plug Poly)와의 게이트전극 간의 브릿지(bridege)성 결함을 유발시키게 된다. However, in the process of forming a landing plug using a self-aligned contact process, various problems such as a SAC fail have occurred. In particular, as the size of the gate electrode required for the cell region is reduced, the open area is reduced during the self-aligned contact process. As the SAC open area decreases, the SAC process margins are approaching their limits, as well as the thickness of the spacers becoming thinner. Accordingly, the gate electrode sidewalls are partially exposed when the contact hole is formed to expose the portion of the cell region where the landing plug is to be formed. The exposed portion of the gate electrode causes a bridge defect between the contact material film, for example, a landing plug poly (LPP), embedded in the contact hole.
이러한, 브릿지성 결함은 셀 동작 예컨대, 리드(read) 또는 라이트(write)의 정상적인 동작을 불가능하게 하여 소자의 수율을 저하시키게 된다. Such bridging defects make cell operation impossible, for example, normal operation of read or write, thereby lowering the yield of the device.
이에 따라, SAC 공정 마진을 안정적으로 확보하여 셀 특성을 향상시키기 위한 연구가 이루어지고 있다. Accordingly, studies have been made to improve cell characteristics by stably securing SAC process margins.
본 발명에 따른 반도체소자의 랜딩 플러그 콘택 형성방법은, 기판 상에 하드마스크막을 포함하는 게이트전극을 형성하는 단계; 상기 게이트전극 측벽에 스페이서를 형성하는 단계; 상기 스페이서가 형성된 게이트전극을 덮는 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 층간절연막을 선택적으로 식각하여 상기 게이트전극 사이의 기판 부분을 노출시키는 콘택홀을 형성하는 단계; 상기 콘택홀 형성과정에서 일부 노출된 게이트전극 측벽 부분을 선택적으로 산화시키는 단계; 및 상기 측벽 부분이 선택적으로 산화된 게이트 전극 사이의 콘택홀 내에 콘택물질을 매립하여 랜딩플러그콘택을 형성하는 단계를 포함한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method of forming a landing plug contact of a semiconductor device, the method including: forming a gate electrode including a hard mask layer on a substrate; Forming a spacer on sidewalls of the gate electrode; Forming an interlayer insulating film covering the gate electrode on which the spacer is formed; Selectively etching the interlayer insulating film to form a contact hole exposing a substrate portion between the gate electrodes; Selectively oxidizing partially exposed gate electrode sidewall portions during the formation of the contact hole; And filling a contact material in a contact hole between the gate electrode in which the sidewall portion is selectively oxidized to form a landing plug contact.
상기 게이트전극은 절연막, 폴리실리콘막 및 텅스텐막으로 이루어지는 것이 바람직하다. Preferably, the gate electrode is made of an insulating film, a polysilicon film, and a tungsten film.
상기 하드마스크막 및 스페이서는 상기 층간절연막과 식각선택비를 갖는 물질막으로 형성하는 것이 바람직하다. The hard mask layer and the spacer may be formed of a material layer having an etch selectivity with the interlayer insulating layer.
상기 층간절연막과 식각선택비를 갖는 물질막은 실리콘나이트라이드막으로 형성하는 것이 바람직하다. The material film having an etch selectivity with the interlayer insulating film is preferably formed of a silicon nitride film.
상기 콘택홀을 형성하는 단계는 자기 정렬 콘택 공정을 수행하여 형성하는 것이 바람직하다.The forming of the contact hole is preferably performed by performing a self-aligned contact process.
상기 게이트전극 측벽 부분을 선택적으로 산화시키는 단계는, 상기 콘택홀이 형성된 기판 상에 산화공정을 수행하여 일부 노출된 게이트전극 측벽 부분 및 게이트전극 사이의 기판 부분에 산화막을 형성하는 단계; 및 상기 게이트전극 사이의 기판 부분에 형성된 산화막을 건식 식각공정을 수행하여 선택적으로 제거하는 단계로 이루어지는 것이 바람직하다. Selectively oxidizing the gate electrode sidewall portion may include forming an oxide film on a portion of the exposed gate electrode sidewall portion and a substrate portion between the gate electrode by performing an oxidation process on the substrate on which the contact hole is formed; And selectively removing the oxide film formed on the substrate portion between the gate electrodes by performing a dry etching process.
상기 산화공정은, 선택적 산화(selective oxidation) 공정, 플라즈마 산화공정, 또는 열 산화공정으로 수행하는 것이 바람직하다. The oxidation process is preferably performed by a selective oxidation process, a plasma oxidation process, or a thermal oxidation process.
상기 산화공정은, 산소 플라즈마 또는 오존 플라즈마를 이용하여 산화공정을 수행하는 것이 바람직하다. In the oxidation process, it is preferable to perform an oxidation process using an oxygen plasma or an ozone plasma.
상기 산화공정은 700 내지 750℃의 공정 온도에서 수행하는 것이 바람직하다. The oxidation process is preferably carried out at a process temperature of 700 to 750 ℃.
상기 산화막은 20 내지 30Å 두께로 형성하는 것이 바람직하다. The oxide film is preferably formed to a thickness of 20 to 30 kPa.
상기 건식 식각공정은 NH3 및 HF을 포함하는 식각소소를 이용하여 30 내지 60초 동안 수행하는 것이 바람직하다. The dry etching process is preferably performed for 30 to 60 seconds using an etching element containing NH 3 and HF.
상기 랜딩플러그콘택을 형성하는 단계는, 상기 측벽 부분이 선택적으로 산화된 게이트 전극 상에 콘택플러그막을 형성하는 단계; 및 상기 콘택플러그막에 평탄화공정을 수행하여 게이트전극에 의해 노드분리된는 랜딩플러그콘택을 형성하는 단게로 이루어지는 것이 바람직하다. The forming of the landing plug contact may include forming a contact plug film on the gate electrode on which the sidewall portion is selectively oxidized; And a step of forming a landing plug contact, which is node-separated by a gate electrode by performing a planarization process on the contact plug film.
상기 콘택플러그막은 폴리실리콘막으로 형성하는 것이 바람직하다. The contact plug film is preferably formed of a polysilicon film.
상기 폴리실리콘막은 500 내지 2000Å 두께로 형성하는 것이 바람직하다. The polysilicon film is preferably formed to a thickness of 500 to 2000 kPa.
(실시예)(Example)
도 1을 참조하면, 트렌치 소자분리(STI;Shallow Trench Isolation) 공정을 수행하여 반도체기판(100)의 활성영역을 설정하는 트렌치 소자분리막(110)을 형성한다. Referring to FIG. 1, a
구체적으로, 도면에는 상세하게 나타내지 않았지만, 반도체기판(100) 상에 패드산화막 패턴 및 패드질화막 패턴을 형성한 후, 패드질화막 패턴 및 패드산화막 패턴에 의해 노출된 반도체기판(100) 부분을 선택적으로 식각하여 소자분리 트렌치를 형성한다. 이어서, 소자분리 트렌치가 형성된 반도체기판(100) 전면에 고밀도 플라즈마(HDP;High Density Plasma) 산화막을 형성한 후, 고밀도 플라즈마 산화막을 매립시키는 평탄화공정 예컨대, 화학기계연마(CMP; Chemical Mechanical Polishing)을 수행하여 반도체기판(100)의 활성영역을 설정하는 트렌치 소자분리막(110)을 형성한다. Specifically, although not shown in detail, after forming the pad oxide film pattern and the pad nitride film pattern on the
이어서, 트렌치 소자분리막(110)이 형성된 반도체기판(100) 상에 웰(well)이나 채널(channel) 형성을 위해, 불순물 이온주입 및 열처리 공정을 수행한다. Subsequently, impurity ion implantation and heat treatment are performed to form a well or a channel on the
도 2를 참조하면, 트렌치 소자분리막(110)에 의해 활성영역이 설정된 반도체기판(100) 상에 활성영역을 선택적으로 식각하여 리세스 트렌치(120)를 형성한다. Referring to FIG. 2, the
구체적으로, 반도체기판(100) 상에 리세스 트렌치가 형성될 위치를 선택적으로 노출시키는 마스크 패턴(도시되지 않음)을 형성한 후, 마스크 패턴을 식각마스크로 한 식각공정을 수행하여 채널 길이를 보다 더 확장시켜 주는 리세스 트렌치(120)를 형성한다. Specifically, after forming a mask pattern (not shown) for selectively exposing the position where the recess trench is to be formed on the
이때, 리세스 트렌치(120)를 형성하기 이전에, 새들 핀(saddle Fin) 구조의 트랜지스터를 형성하기 위해, 트렌치 소자분리막(110)을 일정 두께 식각해 활성영역이 돌출되도록 하여 활성영역의 양 측면 및 상부면이 노출되도록 할 수 있다. 이처럼 돌출된 활성영역에 리세스 트렌치를 형성함으로써, 채널의 길이를 증가시키면서, 채널의 폭도 증가시킬 수 있다. At this time, before forming the
도 3을 참조하면, 리세스 트렌치(120)가 형성된 반도체기판(100) 상에 하드마스크막(134)을 포함하는 게이트전극(130)을 형성한다. Referring to FIG. 3, the
구체적으로, 반도체기판(100) 상에 절연막(131), 도전막(132) 및, 금속막(133)을 형성하고, 하드마스크(hard mask)를 위한 하드마스크막(134)을 형성한 후, 게이트 식각공정을 수행하여 하드마스크막(134)을 포함하는 게이트전극(130)을 형성한다. 이때, 절연막(131)은 30 내지 60Å 두께의 산화막으로 형성할 수 있다. 도전막(132)은 400 내지 1500Å 두께의 폴리실리콘막으로 형성할 수 있다. 금속막(133)은 400 내지 600Å 두께의 하이브리드(hybride) 텅스텐막으로 형성할 수 있다. Specifically, after the
하드마스크막(134)은 후속 게이트전극을 절연시키는 층간절연막과 식각선택비가 높은 물질막으로 형성할 수 있다. 예컨대, 하드마스크막(134)은 실리콘나이트라이드와 같은 절연물질을 포함하여 2000 내지 2500Å 두께 정도로 형성할 수 있다. 하드마스크막(134)은 후속 자기정렬콘택 공정에서 게이트전극을 보호하기 위한 역할을 한다. The
하드마스크막(134)을 포함하는 게이트전극(130) 측벽에 스페이서(130)를 형성한다. 스페이서(130)는 실리콘나이트라이드막과 같은 절연물질을 포함할 수 있 다. 스페이서(130)는 후속 공정 예컨대, 랜딩플러그 형성하기 위한 자기정렬콘택(SAC) 공정 수행 시 게이트전극을 보호하는 역할을 한다. The
한편, 소자가 고집적화되면서 셀 면적이 축소됨에 따라, 요구되는 게이트전극(130)의 선폭(CD;Critical Demension)이 줄어들면서, 스페이서(140)의 두께 또한, 줄어들고 있다. On the other hand, as the cell area is reduced as the device is highly integrated, the required critical width (CD) of the
도 4를 참조하면, 스페이서(140)가 형성된 게이트전극(130)을 덮는 층간절연막(150)을 형성한다. 층간절연막(150)은 산화막 예컨대, SOD(Spin On Didlectric)막으로 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. Referring to FIG. 4, an interlayer
층간절연막(150) 상에 랜딩플러그콘택이 형성될 위치의 층간절연막(150)을 선택적으로 노출시키는 마스크 패턴(151)을 형성한다. A
도 5를 참조하면, 마스크 패턴(151)을 식각마스크로, 노출된 층간절연막(150)을 식각하여 게이트전극(130) 사이의 반도체기판(100) 부분을 노출시키는 랜딩플러그콘택홀(160)을 형성한다. Referring to FIG. 5, the landing plug contact hole 160 exposing the
이때, 마스크 패턴(151)을 식각마스크로 자기 정렬 콘택(SAC;Self Aligned Contact) 공정을 수행하여 랜딩플러그콘택홀(160) 형성과정에서 하드마스크(134) 및 스페이서(130)가 식각에 대한 장벽층으로 작용하게 된다. In this case, the
한편, 반도체소자의 셀 면적이 축소되면서, 자기정렬콘택 공정 시 오픈 면적(open area) 감소하고 있다. 이에 따라, 자기정렬콘택 공정 마진 부족하고, 스페이서의 두께도 얇아짐에 따라, 랜딩플러그콘택홀 형성과정에서 도 5에 도시된 바와 같이, 게이트전극(130) 측벽의 스페이서(140)가 손상되어, 게이트전극(130)의 도전 막(132) 예컨대, 폴리실리콘막이 부분적으로 노출된다. On the other hand, as the cell area of the semiconductor device is reduced, the open area is reduced during the self-aligned contact process. Accordingly, as the margin of the self-aligned contact process is insufficient and the thickness of the spacer becomes thinner, as shown in FIG. 5 in the process of forming the landing plug contact hole, the
도전막(132)이 노출된 부분(162)은, 후속 랜딩플러그폴리(LPP;Landing Plug Poly)막이 랜딩플러그콘택홀(160) 내부에 매립되어 도전막 예컨대, 폴리실리콘막과 브릿지(bridege)성 결함을 유발시키게 된다. The exposed
이에 따라, 본 발명의 실시예에서는 다음과 같은 공정을 수행하여 랜딩플러그폴리와, 도전막 간의 브릿지성 결함을 억제할 수 있다. Accordingly, in the exemplary embodiment of the present invention, the bridge defect between the landing plug poly and the conductive film can be suppressed by performing the following process.
도 6을 참조하면, 마스크 패턴을 제거한 후, 산화공정을 수행하여 랜딩플러그콘택홀(160) 형성과정에서 노출된 도전막(132) 부분 및 반도체기판(100) 부분을 선택적으로 산화시켜 산화막(170)을 형성한다. 산화 공정은 선택적 산화공정 , 플라즈마 산화공정 또는 열산화 공정으로 수행할 수 있다. 또는, 산소 플라즈마 또는 오존 플라즈마를 이용하여 게이트전극의 노출부분 및 반도체기판의 노출부분을 선택적으로 산화시켜 산화막을 형성할 수도 있다. Referring to FIG. 6, after removing the mask pattern, an oxidation process is performed to selectively oxidize the exposed portion of the
이때, 산화막은 랜딩플러그콘택홀(160) 형성과정에서 노출된 도전막(132) 부분 및 반도체기판(100) 부분이 대략 20 내지 30Å 정도 산화되도록 700 내지 750℃의 공정 온도에서 산화공정을 수행할 수 있다.In this case, the oxide film may be oxidized at a process temperature of 700 to 750 ° C. such that a portion of the
노출된 도전막 부분을 선택적으로 산화시킴에 따라, 랜딩플러그 콘택홀 형성과정에서 노출되어 손상된 도전막을 큐어링(curing)하고, 형성된 산화막에 의해, 후속 랜딩플러그폴리막과 도전막 예컨대, 폴리실리콘막 간의 브릿지성 결함을 억제시킬 수 있다. By selectively oxidizing the exposed conductive film portion, the conductive film exposed and damaged during the landing plug contact hole formation process is cured, and by the formed oxide film, a subsequent landing plug poly film and a conductive film such as a polysilicon film are formed. The bridge defect of the liver can be suppressed.
도 7을 참조하면, 버티컬 건식 식각(vertical Dry etch) 공정을 수행하여 게 이트전극(130) 사이의 반도체기판(100) 부분에 형성된 산화막(170)을 선택적으로 제거한다. 버티컬 건식 식각 공정은 NH3 및 HF를 포함하는 식각소스를 이용하여 30 내지 60초 동안 수행할 수 있다. 버티컬 식각공정을 수행하여 반도체기판(100) 부분에 형성된 산화막만을 선택적으로 제거함으로써, 노출된 도전막 부분에 형성된 산화막(171) 부분은 남아 있게 된다. Referring to FIG. 7, an
한편, 비티컬 건식 식각공정은 랜딩 플러그폴리막 형성 이전에, 반도체기판 상에 형성된 자연산화막을 제거하기 위해 수행되는 프리세정(pre cleaning) 과정에 해당된다. On the other hand, the dry dry etching process corresponds to a pre-cleaning process performed to remove the native oxide film formed on the semiconductor substrate before the landing plug poly film is formed.
도 8을 참조하면, 랜딩플러그콘택홀을 매립하여 랜딩플러그폴리(LPP)(180)을 형성한다. 구체적으로, 랜딩플러그콘택홀 형성된 반도체기판(100) 상에 랜딩프러그폴리막을 형성한 후, 평탄화공정 예컨대, 화학기계연마(CMP;Chemical Mechanical Polishing) 공정을 수행하여 게이트전극(130)을 노드분리한다. 랜딩플러그폴리막은 500 내지 2000Å 정도의 두께로 형성할 수 있다. Referring to FIG. 8, a landing plug contact hole is filled to form a landing plug poly (LPP) 180. Specifically, after the landing plug poly film is formed on the
이때, 랜딩프러그폴리 형성 시 노출된 도전막 부분에 산화막이 형성되어 있으므로, 랜딩프러극폴리와 게이트전극의 도전막의 브릿지성 결함을 억제할 수 있다. At this time, since the oxide film is formed on the exposed conductive film portion during the formation of the landing plug poly, it is possible to suppress the bridge defect of the landing film pole poly and the conductive film of the gate electrode.
본 발명의 실시예에 따르면, 자기정렬콘택 공정에 의해 랜딩플러그콘택홀 형성 과정에서 노출되는 게이트전극의 도전막 예컨대, 폴리실리콘막 부분을 선택적으로 산화시킨 후, 산화과정에서 함께 산화된 반도체기판 부분을 건식식각공정을 수 행하여 제거함으로써, 노출된 도전막 부분에만 산화막이 남도록 한다. 이후에, 랜딩플러그콘택홀 내에 랜딩플러그폴리를 매립하여 SAC 공정 마진을 확보하고, 랜딩플러그폴리막과 게이트도전막의 브릿지성 결함을 억제할 수 있다. 이에 따라, 셀 동작 예컨대, 리드(read) 또는 라이트(write)의 정상적인 동작을 효과적으로 수행하여 소자의 수율을 향상시킬 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, a semiconductor substrate portion which is oxidized together during the oxidation process after selectively oxidizing a conductive film, such as a polysilicon layer, of the gate electrode exposed during the landing plug contact hole formation process by a self-aligned contact process Is removed by performing a dry etching process so that the oxide film remains only on the exposed conductive film portion. Thereafter, the landing plug poly is embedded in the landing plug contact hole to secure the SAC process margin, and the bridge defect of the landing plug poly film and the gate conductive film can be suppressed. Accordingly, the yield of the device may be improved by effectively performing the normal operation of the cell operation, for example, read or write.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 바람직한 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능함은 당연하다. Although the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments of the present invention, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications may be made by those skilled in the art within the preferred technical spirit of the present invention. Of course.
도 1 내지 도 8은 본 발명에 따른 반도체소자의 랜딩 플러그 콘택 형성방법을 설명하기 위해 나타내 보인 단면도들이다. 1 to 8 are cross-sectional views illustrating a method for forming a landing plug contact of a semiconductor device according to the present invention.
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