KR20100074683A - Semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로 특히, 콘택홀 내부에 콘택 플러그를 형성하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a method for forming a contact plug inside a contact hole.
반도체 소자는 다수의 도전 패턴이 절연막을 사이에 두고 적층된 형태로 형성된다. 서로 다른 층의 도전 패턴간에 전기적인 연결이 필요할 경우, 연결이 필요한 서로 다른층의 도전 패턴들 사이의 절연막에 콘택 플러그를 형성한다. 이에 따라 서로 다른 층의 도전 패턴들은 콘택 플러그를 경유하여 전기적으로 연결된다.In the semiconductor device, a plurality of conductive patterns are formed in a stacked form with an insulating film interposed therebetween. When electrical connection is required between the conductive patterns of different layers, a contact plug is formed on the insulating film between the conductive patterns of the different layers requiring the connection. Accordingly, the conductive patterns of different layers are electrically connected via the contact plugs.
콘택 플러그는 하부의 도전 패턴을 절연하기 위한 절연막을 증착한 후 절연막을 식각하여 하부의 도전 패턴을 노출시키는 콘택홀을 형성하고 콘택홀 내부를 도전성 물질로 매립한 후 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing : 이하, "CMP"라 함) 방법으로 콘택홀 내부에만 도전성 물질을 남기는 일련의 공정을 통해 형성된다. The contact plug deposits an insulating film to insulate the lower conductive pattern, and then forms a contact hole that exposes the lower conductive pattern by etching the insulating layer, and fills the inside of the contact hole with a conductive material, followed by chemical mechanical polishing. It will be formed through a series of processes to leave the conductive material only inside the contact hole by the "CMP" method.
이와 같이 콘택 플러그가 형성될 영역을 정의하는 콘택홀을 형성하기 위해서는 노출되어야 하는 도전 패턴 상부의 절연막을 식각해야 한다. 그러나 반도체 소자가 고집적화됨에 따라 콘택홀을 형성하기 위해 식각해야하는 절연막의 폭 대비 높이의 비율(즉, 종횡비)이 증가하고 있어서 콘택홀을 안정적으로 형성하기 어렵다. 이하, 플래시 메모리 소자의 접합 영역을 노출시키는 콘택홀을 예로 들어 반도체 소자의 고집적화에 따른 콘택홀 형성 공정 어려움에 대해 보다 구체적으로 설명한다.As described above, in order to form a contact hole defining a region in which the contact plug is to be formed, the insulating film on the conductive pattern to be exposed must be etched. However, as semiconductor devices are highly integrated, the ratio of the width to height of the insulating layer to be etched to form the contact holes (ie, the aspect ratio) is increasing, making it difficult to stably form the contact holes. Hereinafter, the difficulty of the process of forming the contact hole due to the high integration of the semiconductor device will be described in detail with reference to the contact hole exposing the junction region of the flash memory device.
플래시 메모리 소자는 플로팅 게이트용 도전막, 유전체막 및 컨트롤 게이트용 도전막이 적층된 적층형 게이트들를 포함한다. 적층형 게이트는 소스 셀렉트 게이트, 드레인 셀렉트 게이트 및 소스 셀렉트 게이트 및 드레인 셀렉트 게이트 사이에 직렬로 연결된 다수의 메모리 셀 게이트를 포함한다. 이러한 적층형 게이트는 반도체 기판의 상부에 게이트 절연막을 사이에 두고 형성되며, 적층형 게이트들 사이에 형성된 접합 영역들에 의해 연결된다. 접합 영역은 이웃하는 소스 셀렉트 게이트 사이에 형성된 소스, 이웃하는 드레인 셀렉트 게이트 사이에 형성된 드레인을 포함한다.The flash memory device includes stacked gates in which a conductive film for a floating gate, a dielectric film, and a conductive film for a control gate are stacked. The stacked gate includes a source select gate, a drain select gate, and a plurality of memory cell gates connected in series between the source select gate and the drain select gate. The stacked gate is formed on the semiconductor substrate with a gate insulating film interposed therebetween, and is connected by junction regions formed between the stacked gates. The junction region includes a source formed between neighboring source select gates and a drain formed between neighboring drain select gates.
상술한 적층형 게이트들 및 접합 영역들을 포함하는 반도체 기판의 상부에는 절연막이 형성된다. 이 중 소스 및 드레인의 상부에 형성된 절연막을 식각하여 소스 및 드레인을 노출시키는 콘택홀들을 형성한다. 이 때 콘택홀은 절연막의 상부에 포토레지스트 패턴을 형성한 후 포토레지스트 패턴을 식각 베리어로 사용하여 절연막을 식각함으로써 형성된다. 포토레지스트 패턴은 적층형 게이트들 사이의 소스 또는 드레인을 개구시킬 수 있는 패턴으로 형성되어야 하므로 매우 좁은 간격으로 이격된다. 이에 따라 콘택홀을 형성하기 위한 식각 공정시 이용되는 식각 물질이 포토레지스트 패턴 사이에서 노출된 절연막에 침투하기 어려워지므로 콘택홀을 통해 소스 또는 드레인이 개구되지 않는 불량이 발생한다. 이를 해결하기 위하여 소스 또는 드레인이 노출될 수 있도록 절연막의 식각 정도를 조절하여 콘택홀을 형성한다. 이 경우, 콘택홀의 측벽이 오목하게 형성되는 보잉(bowing) 현상이 발생한다. 이러한 보잉 현상은 각각의 콘택홀 내부에 형성된 콘택 플러그들간의 브릿지(bridge)를 유발하여 문제가 된다.An insulating film is formed on the semiconductor substrate including the stacked gates and the junction regions described above. The insulating layers formed on the source and the drain are etched to form contact holes exposing the source and the drain. In this case, the contact hole is formed by forming a photoresist pattern on the insulating film and then etching the insulating film using the photoresist pattern as an etching barrier. The photoresist patterns should be formed in a pattern that can open the source or drain between the stacked gates, so they are spaced at very narrow intervals. Accordingly, since the etching material used in the etching process for forming the contact hole becomes difficult to penetrate into the insulating film exposed between the photoresist patterns, a defect in which the source or drain is not opened through the contact hole occurs. In order to solve this problem, the contact hole is formed by adjusting the etching degree of the insulating layer so that the source or the drain may be exposed. In this case, a bowing phenomenon occurs in which sidewalls of the contact holes are concave. This bowing phenomenon becomes a problem by causing a bridge between contact plugs formed in each contact hole.
본 발명은 콘택홀을 형성하는 과정에서 보잉(bowing) 현상이 발생하더라도 콘택 플러그간 브릿지(bridge)가 발생하는 것을 방지할 수 있는 반도체 소자 및 그 제조방법을 제공한다.The present invention provides a semiconductor device capable of preventing a bridge between contact plugs from occurring even if a bowing phenomenon occurs in the process of forming a contact hole, and a method of manufacturing the same.
본 발명에 따른 반도체 소자는 콘택홀을 포함하며 반도체 기판의 상부에 형성된 절연막, 콘택홀보다 낮은 높이로 콘택홀의 내부에 형성된 하부 콘택 플러그, 하부 콘택 플러그 상부에서 상기 콘택홀의 측벽에 형성된 스페이서, 및 하부 콘택 플러그 상부에서 스페이서 사이에 형성되며 콘택홀을 채우는 상부 콘택 플러그를 포함한다.The semiconductor device according to the present invention includes a contact hole and an insulating film formed on an upper portion of the semiconductor substrate, a lower contact plug formed inside the contact hole at a lower level than the contact hole, a spacer formed on the sidewall of the contact hole on the lower contact plug, and a lower portion. An upper contact plug is formed between the spacers on the contact plug and fills the contact hole.
본 발명에 따른 반도체 소자의 제조방법은 반도체 기판의 상부에 콘택홀을 포함하는 절연막을 형성하는 단계, 콘택홀의 내부에 콘택홀보다 낮은 높이의 하부 콘택 플러그를 형성하는 단계, 하부 콘택 플러그의 상부에서 노출된 콘택홀의 측벽에 스페이서를 형성하는 단계, 및 콘택홀을 채우며 하부 콘택 플러그에 연결되는 상부 콘택 플러그를 상기 스페이서 사이에 형성하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes forming an insulating film including a contact hole on an upper portion of a semiconductor substrate, forming a lower contact plug having a lower height than a contact hole in a contact hole, Forming a spacer on the exposed sidewall of the contact hole, and forming an upper contact plug between the spacers that fills the contact hole and is connected to the lower contact plug.
절연막을 형성하는 단계 이전에 반도체 기판의 상부에는 셀렉트 트랜지스터의 셀렉트 게이트들 및 메모리 셀의 셀 게이트들을 포함하는 다수의 게이트 패턴들이 형성되고, 게이트 패턴들 사이의 반도체 기판에는 접합 영역들이 형성된다.Prior to forming the insulating layer, a plurality of gate patterns including select gates of the select transistor and cell gates of the memory cell are formed on the semiconductor substrate, and junction regions are formed on the semiconductor substrate between the gate patterns.
콘택홀은 셀렉트 게이트 사이의 접합 영역을 노출시킨다.The contact hole exposes the junction region between the select gates.
절연막과 게이트 패턴 사이에는 식각 정지막이 형성된다.An etch stop film is formed between the insulating film and the gate pattern.
반도체 기판의 상부에 콘택홀을 포함하는 절연막을 형성하는 단계는 접합 영역 및 게이트 패턴을 포함하는 반도체 기판의 상부에 질화막을 이용하여 상기 식각 정지막을 형성하는 단계, 식각 정지막의 상부에 산화막을 이용하여 절연막을 형성하는 단계, 및 절연막 및 식각 정지막을 식각하여 콘택홀을 형성하는 단계를 포함한다.The forming of the insulating film including the contact hole on the upper portion of the semiconductor substrate may include forming the etch stop layer using a nitride layer on the semiconductor substrate including the junction region and the gate pattern, and using the oxide layer on the etch stop layer. Forming an insulating film, and forming a contact hole by etching the insulating film and the etch stop film.
콘택홀을 형성하는 단계는 10sccm 내지 20sccm의 CF4 가스를 이용하여 실시한다.Forming the contact hole is performed using a CF 4 gas of 10sccm to 20sccm.
콘택홀을 형성하는 단계에서 식각 정지막은 식각 챔버내의 전극 온도가 0℃ 내지 10℃인 범위에서 식각된다.In the forming of the contact hole, the etch stop layer is etched in a range in which the electrode temperature in the etching chamber is 0 ° C to 10 ° C.
콘택홀을 형성하는 단계에서 식각 정지막을 100sccm 내지 200sccm의 Ar가스를 이용하여 식각한다.In the forming of the contact hole, the etch stop layer is etched using Ar gas of 100 sccm to 200 sccm.
콘택홀의 내부에 콘택홀보다 낮은 높이의 하부 콘택 플러그를 형성하는 단계는 콘택홀이 매립되도록 콘택홀을 포함하는 절연막의 상부에 도전막을 형성하는 단계, 절연막이 노출될 때까지 도전막의 표면을 평탄화하는 단계, 및 콘택홀의 내부에 잔여하는 도전막의 높이를 낮추는 단계를 포함한다.The forming of the lower contact plug having a lower height than the contact hole in the contact hole may include forming a conductive film on the insulating film including the contact hole so that the contact hole is embedded, and planarizing the surface of the conductive film until the insulating film is exposed. And lowering the height of the conductive film remaining inside the contact hole.
콘택홀을 포함하는 절연막의 상부에 도전막을 형성하는 단계에서 도전막에 발생한 보이드는 콘택홀의 내부에 잔여하는 상기 도전막의 높이를 낮추는 단계에서 제거된다.The voids generated in the conductive film in the step of forming the conductive film on the insulating film including the contact hole are removed in the step of lowering the height of the conductive film remaining inside the contact hole.
스페이서는 질화막을 이용하여 형성한다.The spacer is formed using a nitride film.
본 발명은 콘택홀보다 높이가 낮은 하부 콘택 플러그를 형성하고, 하부 콘택 플러그의 상부에서 노출된 콘택홀의 측벽에 스페이서를 형성하고 하부 콘택 플러그 상부에 형성된 스페이서 사이에 상부 콘택 플러그를 형성한다. The present invention forms a lower contact plug having a lower height than the contact hole, forms a spacer on the sidewall of the contact hole exposed from the upper portion of the lower contact plug, and forms an upper contact plug between the spacers formed on the lower contact plug.
이와 같이 본 발명은 보잉 현상이 발생하는 부분인 콘택홀의 측벽 상부에 스페이서를 형성하여 이웃하는 콘택홀끼리의 간격을 확보할 수 있으므로 콘택홀 내부에 형성되는 콘택 플러그간 브릿지 발생을 방지할 수 있다.As described above, the present invention can form a spacer on an upper sidewall of the contact hole, which is a part in which the bowing phenomenon occurs, to secure the spacing between neighboring contact holes, thereby preventing the occurrence of bridges between contact plugs formed in the contact hole.
또한 본 발명은 하부 콘택 플러그 높이를 콘택홀보다 낮추기 위해 하부 콘택 플러그를 식각하는 과정에서 종횡비가 높은 콘택홀 내부에 형성된 하부 콘택 플러그에 발생할 수 있는 보이드가 제거될 수 있다. 그 결과 이 후, 하부 콘택 플러그의 상부에 상부 콘택 플러그를 형성하여 보이드가 현저히 감소된 콘택 플러그를 형성할 수 있으므로 적정 수준의 저항(Rc)을 확보할 수 있음과 아울러 콘택 플러그의 프로파일을 균일화 할 수 있다.In addition, the present invention may remove voids that may occur in the lower contact plug formed inside the contact hole having a high aspect ratio in the process of etching the lower contact plug to lower the lower contact plug height than the contact hole. As a result, since the upper contact plug is formed on the upper portion of the lower contact plug, a contact plug having a significantly reduced void can be formed, so that an appropriate level of resistance (Rc) can be secured and the profile of the contact plug can be equalized. Can be.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다 른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a preferred embodiment of the present invention. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be embodied in various other forms, and only the present embodiments make the disclosure of the present invention complete and the scope of the invention to those skilled in the art. It is provided to inform you completely.
도 1은 본 발명에 따른 반도체 소자의 콘택 플러그를 설명하기 위한 레이아웃도이고, 도 2a 내지 도 2e는 도 1에 도시된 "I-I'"선을 따라 절취하여 본 발명에 따른 반도체 소자의 콘택 플러그 형성방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 이하에서는 플래시 메모리 소자의 접합 영역에 연결된 콘택 플러그를 예로 들어 설명한다.1 is a layout diagram illustrating a contact plug of a semiconductor device according to the present invention, and FIGS. 2A to 2E are cut along the line "I-I" shown in FIG. 1 to contact a semiconductor device according to the present invention. Sectional drawing for demonstrating the plug formation method. Hereinafter, a contact plug connected to a junction region of a flash memory device will be described as an example.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 반도체 소자의 콘택 플러그(139)들은 셀렉트 라인(SL)사이에 형성된 콘택홀들 내부에 각각 형성된다. 이러한 콘택 플러그(139)는 콘택홀 보다 낮은 높이로 형성된 하부 콘택 플러그(미도시), 하부 콘택 플러그 상부에서 노출된 콘택홀의 측벽에 형성된 스페이서(135), 하부 콘택 플러그 상부에서 콘택홀을 매립하며 스페이서(135) 사이에 형성된 상부 콘택 플러그(137)를 포함한다.Referring to FIG. 1, contact
셀렉트 라인(SL)은 플래시 메모리 소자의 스트링 구조에 포함된 셀렉트 트랜지스터들을 연결하는 것으로서, 드레인 셀렉트 트랜지스터의 드레인 셀렉트 라인 이거나, 소스 셀렉트 트랜지스터의 소스 셀렉트 라인 일 수 있다. 플래시 메모리 소자의 스트링 구조는 드레인 셀렉트 트랜지스터, 소스 셀렉트 트랜지스터 및 드레인 셀렉트 트랜지스터와 소스 셀렉트 트랜지스터 사이에 직렬로 연결된 메모리 셀들을 포함한다. 이러한 스트링 구조는 서로 나란하게 다수개로 형성된다. 서로 나란한 스트링 구조의 드레인 셀렉트 트랜지스터들은 드레인 셀렉트 라인을 통해 연결되며, 서로 나란한 스트링 구조의 소스 셀렉트 트랜지스터들은 소스 셀렉트 라인을 통해 연결되며, 서로 나란한 스트링 구조의 메모리 셀들은 워드 라인(WL)을 통해 연결된다.The select line SL connects select transistors included in a string structure of a flash memory device, and may be a drain select line of a drain select transistor or a source select line of a source select transistor. The string structure of a flash memory device includes a drain select transistor, a source select transistor, and memory cells connected in series between the drain select transistor and the source select transistor. The string structure is formed in plurality in parallel with each other. The parallel string drain select transistors are connected through the drain select line, and the parallel string source select transistors are connected through the source select line, and the parallel string memory cells are connected through the word line WL. do.
소스 셀렉트 트랜지스터의 게이트, 드레인 셀렉트 트랜지스터의 게이트, 메모리 셀의 게이트는 전하 저장막, 유전체막 및 컨트롤 게이트용 도전막이 적층된 구조로 형성된다. 이 때, 컨트롤 게이트용 도전막이 연결되어 소스 셀렉트 라인, 드레인 셀렉트 라인 또는 워드 라인이 된다.The gate of the source select transistor, the gate of the drain select transistor, and the gate of the memory cell are formed in a structure in which a charge storage film, a dielectric film, and a conductive film for a control gate are stacked. At this time, the conductive film for the control gate is connected to become a source select line, a drain select line, or a word line.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 콘택 플러그(139)는 콘택홀보다 낮은 높이의 하부 콘택 플러그 및 하부 콘택 플러그에 연결되어 콘택홀의 상부를 매립하는 상부 콘택 플러그(137)를 포함하여 형성된다. 이 때, 상부 콘택 플러그(137)는 보잉(bowing) 현상이 발생하는 콘택홀의 상부에 형성되며, 콘택홀의 상부 측벽에 형성된 제2 스페이서(135) 사이에 형성된다. 이에 따라 보잉 현상이 발생하더라도 제2 스페이서(135)에 의해 이웃하는 콘택홀끼리 간격을 확보할 수 있으므로 이웃하는 상부 콘택 플러그(137)간 브릿지가 발생하는 현상을 방지할 수 있다.As described above, the
이하, 도 1에서 상술한 콘택 플러그의 형성방법에 대해 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the method of forming the contact plug described above with reference to FIG. 1 will be described in more detail.
도 2a를 참조하면, 다수의 게이트 패턴들(SG, CG)이 형성되고, 게이트 패턴들(SG, CG) 사이에 접합 영역(101a)이 형성된 반도체 기판(101)을 제공한다. 이 후, 반도체 기판(101)의 상부에 콘택홀(129)을 포함하는 절연막(127)을 형성한다.Referring to FIG. 2A, a plurality of gate patterns SG and CG are formed, and a
반도체 기판(101)은 웰(well; 미도시)이 형성되고 문턱전압 조절용 이온주입 공정이 실시된 것을 이용할 수 있다.The
다수의 게이트 패턴들은 셀렉트 트랜지스터의 셀렉트 게이트(SG) 및 메모리 셀들의 셀 게이트(CG)를 포함한다. 셀렉트 게이트(SG)는 드레인 셀렉트 트랜지스터의 드레인 셀렉트 게이트 이거나, 소스 셀렉트 트랜지스터의 소스 셀렉트 게이트일 수 있다. 이러한 게이트 패턴(SG, CG)들은 반도체 기판(101)의 상부에 게이트 절연막(103)을 사이에 두고 적층되며, 전하 저장막(105), 유전체막(107), 및 컨트롤 게이트용 도전막(114)이 적층된 구조로 형성될 수 있다. 컨트롤 게이트용 도전막(114)의 상부에는 캡핑막(115) 및 게이트 하드 마스크 패턴(117)이 더 적층될 수 있다. 캡핑막(115)은 컨트롤 게이트용 도전막(114)에 금속막 또는 금속 실리사이드막이 도입된 경우, 컨트롤 게이트용 도전막(114)의 산화를 방지하기 위해 형성된 것이다.The gate patterns include a select gate SG of the select transistor and a cell gate CG of the memory cells. The select gate SG may be a drain select gate of the drain select transistor or a source select gate of the source select transistor. The gate patterns SG and CG are stacked on the
상술한 바와 같은 적층 구조로 형성된 게이트 패턴(SG, CG)은 반도체 기판(101)의 상부에 게이트 절연막(103), 전하 저장막(105), 유전체막(107), 컨트롤 게이트용 도전막(114), 및 게이트 하드 마스크 패턴(117)을 형성한 후, 게이트 하드 마스크 패턴(117)을 식각 베리어로 이용한 식각 공정으로 패터닝될 수 있다. 이 때, 게이트 절연막(103) 및 전하 저장막(105)은 소자 분리막(미도시)을 형성하는 과정에서 패터닝된 것을 이용할 수 있으며, 전하 저장막(105)은 게이트 하드 마스크 패턴(117)을 이용한 식각 공정을 통해 추가로 패터닝됨으로써 라인 형태가 아닌 다수의 분리된 패턴으로 형성될 수 있다. 여기서, 게이트 절연막(103)은 산화 막을 이용하여 형성할 수 있으며, 전하 저장막(105)은 플로팅 게이트용 도전막으로서 폴리 실리콘을 이용하여 형성할 수 있다. 유전체막(107)은 산화막, 질화막, 산화막의 적층 구조로 형성될 수 있으며, 셀 게이트(SG)가 형성되는 영역에서 전하 저장막(105)을 노출시키는 홀을 포함한다. 이러한 홀은 유전체막(107)의 상부에 컨트롤 게이트용 도전막(117)의 하부막으로 이용되는 제1 도전막(109) 및 포토레지스트 패턴을 적층한 후, 포토레지스트 패턴을 식각 베리어로 이용한 식각 공정으로 제1 도전막(109) 및 유전체막(107)을 식각하고 포토레지스트 패턴을 제거하는 일련의 공정을 통해 형성될 수 있다. 여기서, 제1 도전막(109)은 홀이 형성되는 영역 이외에 잔여하는 유전체막(107)이 홀을 형성하는 과정에서 손상되는 것을 방지하는 역할을 하는 것으로서, 폴리 실리콘을 이용하여 형성할 수 있다. 컨트롤 게이트용 도전막(114)은 상술한 제1 도전막(109), 제2 도전막(111) 및 제3 도전막(113)을 적층하여 형성할 수 있다. 제2 도전막(111)은 폴리 실리콘을 이용하여 형성할 수 있으며, 제3 도전막(113)은 컨트롤 게이트용 도전막(114)의 저항을 개선하여 반도체 소자의 동작 속도를 향상시키기 위해 도입된 것으로서 텅스텐(W)을 이용하여 형성할 수 있다.As described above, the gate patterns SG and CG having the stacked structure include the
상술한 바와 같은 방법으로 게이트 패턴(SG, CG)을 형성한 후, 게이트 패턴(SG, CG)을 식각하는 과정에서 게이트 패턴(SG, CG)의 측벽에 발생한 손상을 제거하기 위해 산화 공정을 실시하여 게이트 패턴(SG, CG)의 측벽에 측벽 산화막(119)을 형성한다. 이 후, 게이트 패턴(SG, CG)들 사이의 반도체 기판(101)에 불순물 이온을 주입하여 접합 영역(101a)을 형성한다. 이 때, 셀렉트 게이트(SG) 들 사이의 접합 영역(101a)은 소스 또는 드레인으로 정의된다. 보다 상세히 하면, 소스 셀렉트 게이트들 사이의 접합 영역은 소스로 정의되고, 드레인 셀렉트 게이트들 사이의 접합 영역은 드레인으로 정의된다. 이와 같은 접합 영역(101a) 형성 후, 측벽 산화막(119)을 사이에 두고 게이트 패턴(SG, CG)의 측벽에 제1 스페이서(121)를 형성한다. 제1 스페이서(121)는 후속 콘택홀 형성 공정시 게이트 패턴(SG, CG)이 노출되는 것을 방지할 수 있다. 또한 셀렉트 게이트(SG)와 셀 게이트(CG) 사이의 간격과, 셀 게이트(CG)들 사이의 간격은 셀렉트 게이트(SG)들 사이의 간격보다 좁으므로 제1 스페이서(121)에 의해 채워질 수 있다. 이 후, 제1 스페이서(121) 및 게이트 패턴(SG, CG)의 표면에 식각 정지막(125)을 형성한다. 식각 정지막(125)은 질화막을 이용하여 형성할 수 있다. 또한 식각 정지막(125) 형성시 스트레스를 완화하기 위해 식각 정지막(125)은 제1 스페이서(121) 및 게이트 패턴(SG, CG)의 표면에 버퍼 산화막(123)을 사이에 두고 형성될 수 있다.After the gate patterns SG and CG are formed in the same manner as described above, an oxidation process is performed to remove damage occurring on the sidewalls of the gate patterns SG and CG during the etching of the gate patterns SG and CG. As a result, the
이상과 같이 게이트 패턴(SG, CG), 접합 영역(101a), 측벽 산화막(119), 제1 스페이서(121), 및 식각 정지막(123)이 형성된 반도체 기판(101)의 상부에 콘택홀(129)을 포함하는 절연막(127)을 형성한다. 절연막(127)은 게이트 패턴(SG, CG)들 사이를 절연하기 위해 산화막을 이용하여 형성할 수 있다. 또한 절연막(127)은 게이트 패턴(SG, CG)들 사이의 간격을 매립할 수 있도록 충분한 두께로 형성된다. 콘택홀(129)은 셀렉트 게이트(SG)들 사이의 접합 영역(101a)이 노출될 수 있도록 셀렉트 게이트(SG)들 사이의 접합 영역(101a) 상부에 형성된 절연막(127) 및 식각 정지막(125)을 식각함으로써 형성할 수 있다. 콘택홀(129)은 1회의 식각 공정으 로 형성되거나, 단계적인 식각 공정을 통해 형성될 수 있다. 단계적인 식각 공정을 이용하여 콘택홀(129)을 형성하는 경우, 캡핑막(115)의 높이까지는 산화막 및 질화막에 대한 식각비가 1:1인 식각 물질을 이용하여 식각하는 공정, 식각 정지막(125)이 노출되는 시점까지는 질화막에 비해 산화막을 빠르게 식각하는 식각 물질을 이용하여 식각하는 공정, 식각 정지막(125)을 식각하는 공정, 및 접합 영역(101a)이 노출될 때 까지 접합 영역(101a)의 상부에 잔여하는 버퍼막(123) 및 측벽 산화막(119)을 식각하는 일련의 공정을 실시하여 콘택홀(129)을 형성한다. As described above, a contact hole may be formed on the
상술한 콘택홀(129)을 형성하는 과정에서 콘택홀(129)의 측벽 상부에 발생하는 보잉(bowing) 현상을 최소화하기 위해 콘택홀(129) 형성을 위한 식각 공정시 10sccm 내지 20sccm의 CF4가스를 이용하는 것이 바람직하다.CF 4 gas of 10 sccm to 20 sccm during the etching process for forming the
그리고, 콘택홀(129)을 형성하는 과정에서 콘택홀(129)의 측벽에 발생하는 경사를 최소화하기 위해 식각 정지막(125)은 식각 챔버내의 전극 온도가 0℃ 내지 10℃인 범위에서 식각되는 것이 바람직하다. 또한, 식각 정지막(125)은 100sccm 내지 200sccm의 Ar가스를 이용하여 식각하는 것이 바람직하다.In order to minimize the inclination occurring on the sidewalls of the
참고로 컨트롤 게이트용 도전막(114)에 코발트 실리사이드(CoSi2)를 도입하는 방법이 있다. 도면에 도시하진 않았으나, 컨트롤 게이트용 도전막(114)으로 코발트 실리사이드를 도입하는 경우에 게이트 패턴(SG, CG)의 형성방법을 상세히 하면 다음과 같다. 먼저 게이트 하드 마스크 패턴 형성전, 반도체 기판(101)의 상부에 폴리 실리콘으로 이루어진 제2 도전막까지 적층하고, 제2 도전막의 상부에 게이 트 하드 마스크 패턴을 형성한다. 이 후, 게이트 하드 마스크 패턴을 식각 베리어로 이용한 식각 공정으로 제2 도전막, 제1 도전막, 유전체막, 및 전하 저장막을 식각한다. 이어서 접합 영역을 형성한 후, 측벽 산화막, 제1 스페이서, 제1 버퍼 산화막, 제1 식각 정지막을 형성한다. 이어서 셀렉트 게이트(SG) 사이의 간격이 채워지도록 HDP(High Density Plasma) 산화막을 형성한다. 그리고 나서 폴리 실리콘으로 이루어진 제2 도전막의 상면 및 측면이 노출되도록 게이트 하드 마스크 패턴을 제거함과 아울러 측벽 산화막, 제1 스페이서, 제1 버퍼 산화막, 및 제1 식각 정지막의 높이를 낮춘다. 이 후, 노출된 제2 도전막의 표면에 코발트막을 형성한 후, 코발트와 실리콘을 반응시켜 코발트 실리사이드막을 형성한다. 이후, 반응하지 않고 잔여하는 코발트막들 제거한다. 여기서, 코발트 실리사이드막 상부에는 코발트 실리사이드막의 산화를 방지하기 위한 캡핑막이 더 형성될 수 있다. 이와 같은 일련의 공정을 통해 코발트 실리사이드막을 포함하는 게이트 패턴(SG, CG)이 형성된다. 이 후, 게이트 패턴(SG, CG)의 노출된 표면 및 HDP산화막의 노출된 표면에 제2 식각 정지막을 형성한다. 제2 식각 정지막은 제2 버퍼 산화막을 사이에 두고 게이트 패턴(SG, CG)의 노출된 표면 및 HDP산화막의 노출된 표면에 형성될 수 있다. 이와 같이 코발트 실리사이드막이 도입된 경우, 게이트 패턴(SG, CG)의 저항을 더욱 낮출 수 있다. 이 경우, 콘택홀을 포함하는 절연막은 게이트 패턴(SG, CG), 접합 영역, 제1 버퍼 산화막, 제1 스페이서, 제1 식각 정지막, HDP산화막, 제2 버퍼 산화막, 및 제2 식각 정지막이 형성된 반도체 기판의 상부에 형성된다.For reference, there is a method of introducing cobalt silicide (CoSi 2 ) into the control gate
도 2b를 참조하면, 콘택홀(도 2a의 129)의 내부에 제1 높이(H1)의 하부 콘택 플러그(131)를 형성한다. 제1 높이(H1)의 하부 콘택 플러그(131)는 콘택홀(도 2a의 129)이 매립될 수 있도록 콘택홀(도 2a의 129)을 포함하는 절연막(127)의 상부에 도전막을 형성한 후, 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing) 방법 등의 평탄화 공정으로 절연막(127)이 노출되는 시점까지 도전막을 평탄화함으로써 형성될 수 있다. 이 때 도전막으로는 텅스텐(W)을 이용할 수 있다.Referring to FIG. 2B, a
상술한 하부 콘택 플러그(131)의 상부에는 보이드(void)(133)가 형성될 수 있다. 보이드(133)는 콘택홀(도 2a의 129)의 종횡비가 높아짐에 따라 콘택홀(도 2a의 129)을 형성하는 식각 공정시 발생하는 보잉 현상으로 인하여 콘택홀(도 2a의 129)의 측벽 상부가 오목하게 형성되기 때문에 발생한다.A void 133 may be formed on the upper portion of the
도 2c를 참조하면, 보이드를 제거하기 위하여 하부 콘택 플러그(131)의 높이를 제1 높이(H1)보다 낮은 제2 높이(H2)가 되도록 한다. 이를 위하여 산화막에 비해 금속을 더 빠르게 식각하는 식각 물질을 이용하여 하부 콘택 플러그(131)를 식각한다. 이로써, 하부 콘택 플러그(131)의 높이는 콘택홀의 높이보다 낮아진다.Referring to FIG. 2C, the height of the
도 2d를 참조하면, 하부 콘택 플러그(131)의 상부에서 노출된 콘택홀의 측벽에 제2 스페이서(135)를 형성한다. 제2 스페이서(135)는 질화막을 이용하여 형성할 수 있다. 보잉 현상이 발생하여 콘택홀의 측벽 상부가 오목하게 형성된 경우, 제2 스페이서(135)는 콘택홀의 오목한 부분을 채워서 이웃하는 콘택홀 간의 간격을 확보할 수 있다.Referring to FIG. 2D, the
도 2e를 참조하면, 하부 콘택 플러그(131)의 상부에 형성된 제2 스페이서(135) 사이에 콘택홀을 채우도록 상부 콘택 플러그(137)를 형성한다. 상부 콘택 플러그(137)는 하부 콘택 플러그(131)에 연결되어 형성되며, 하부 콘택 플러그(131)와 동일한 도전물질로 형성될 수 있다. 이로써 반도체 기판(101)의 상부에 하부 콘택 플러그(131), 제2 스페이서(135), 및 상부 콘택 플러그(137)를 포함하는 콘택 플러그(139)가 형성된다.Referring to FIG. 2E, an
본 발명에서 상부 콘택 플러그(135)는 제2 스페이서(135)가 콘택홀의 측벽에 형성된 상태에서 제2 스페이서(135)의 사이에 형성된다. 이에 따라 보잉 현상이 발생하여 콘택홀의 측벽 상부가 오목하게 형성되더라도 이웃하는 콘택 플러그(139)들끼리 전기적으로 연결되는 브릿지(bridge) 현상을 방지할 수 있다. 이는 제2 스페이서(135)에 의해 이웃하는 콘택홀간의 간격이 충분히 확보된 상태에서 상부 콘택 플러그(135)가 형성되기 때문이다.In the present invention, the
상기에서는 플래시 메모리 소자의 접합 영역에 연결되는 콘택 플러그의 형성방법을 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 종횡비가 큰 콘택홀 내부에 콘택 플러그를 형성해야하는 경우, 공지된 어떠한 반도체 소자에도 적용될 수 있다. In the above description, a method of forming a contact plug connected to a junction region of a flash memory device has been described as an example. However, the present invention is not limited thereto, and when the contact plug is to be formed inside a contact hole having a high aspect ratio, it is applicable to any known semiconductor device. Can be.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 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, it should be noted that the above-described 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.
도 1은 본 발명에 따른 반도체 소자의 콘택 플러그를 설명하기 위한 레이아웃도.1 is a layout for explaining a contact plug of a semiconductor device according to the present invention.
도 2a 내지 도 2e는 도 1에 도시된 "I-I'"선을 따라 절취하여 본 발명에 따른 반도체 소자의 콘택 플러그 형성방법을 설명하기 위한 단면도들.2A to 2E are cross-sectional views illustrating a method for forming a contact plug of a semiconductor device according to the present invention by cutting along the line “I-I ′” shown in FIG. 1.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
101 : 반도체 기판 101a : 접합 영역101:
103 : 게이트 절연막 105 : 전하 저장막103: gate insulating film 105: charge storage film
107 : 유전체막 109 : 제1 도전막107
111 : 제2 도전막 113 : 제3 도전막111: second conductive film 113: third conductive film
114 : 컨트롤 게이트용 도전막 115 : 캡핑막114: conductive film for control gate 115: capping film
117 : 게이트 하드 마스크 패턴 119 : 측벽 산화막117: gate hard mask pattern 119: sidewall oxide film
121 : 제1 스페이서 123 : 버퍼 산화막121: first spacer 123: buffer oxide film
125 : 식각 정지막 127 : 절연막125: etch stop film 127: insulating film
129 : 콘택홀 131 : 하부 콘택 플러그129
133 : 보이드 135 : 제2 스페이서133: void 135: second spacer
137 : 상부 콘택 플러그 139 : 콘택 플러그137: upper contact plug 139: contact plug
SG : 셀렉트 게이트 CG : 셀 게이트SG: Select Gate CG: Cell Gate
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