KR101114261B1 - Method for forming inter layer dielectric in semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 게이트 스택과 같은 전도체 스택 사이를 절연시키기 위한 층간절연막 형성시 보이드가 발생하는 것을 방지할 수 있는 반도체소자의 층간절연막 형성 방법을 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 반도체소자의 층간절연막 형성 방법은 반도체 기판 상에 전극물질과 하드마스크질화막의 순서로 적층되는 전도체 스택을 형성하는 단계, 상기 전도체 스택의 양측벽에 접하는 스페이서를 형성하는 단계, 상기 스페이서의 표면 일부를 산화시켜 산화막시드층을 형성하는 단계, 및 상기 산화막시드층을 시드로 이용하여 상기 전도체 스택 사이를 갭필하는 층간절연막을 형성하는 단계를 포함하며, 이와 같은 본 발명은 라디칼산화 공정을 통해 하부구조물을 산화시켜 산화막시드층을 미리 형성해주고, 이 산화막 시드층을 시드로 이용하므로 보이드없이 층간절연막을 갭필하여 반도체소자의 전기적 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.The present invention is to provide a method for forming an interlayer insulating film of a semiconductor device capable of preventing voids from occurring when forming an interlayer insulating film for insulating between conductor stacks such as a gate stack, and the method for forming an interlayer insulating film of a semiconductor device of the present invention. Forming a conductor stack stacked on the semiconductor substrate in the order of an electrode material and a hard mask nitride film, forming a spacer in contact with both sidewalls of the conductor stack, and oxidizing a portion of a surface of the spacer to form an oxide film seed layer. And forming an interlayer insulating film gap-filling between the conductor stacks using the oxide seed layer as a seed, and the present invention oxidizes a substructure through a radical oxidation process to prepare an oxide film seed layer in advance. And use this oxide seed layer as a seed so that no void Gaeppil by an interlayer insulating film is effective to improve the electrical reliability of the semiconductor device.
층간절연막, 산화막시드층, 라디칼산화, 라디칼산소원자 Interlayer insulating film, oxide film seed layer, radical oxidation, radical oxygen atom
Description
도 1은 종래기술에 따른 반도체소자의 층간절연막 형성 방법을 간략히 도시한 도면,1 is a view schematically illustrating a method for forming an interlayer insulating film of a semiconductor device according to the prior art;
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 반도체소자의 층간절연막 형성 방법을 도시한 공정 단면도.2A to 2C are cross-sectional views illustrating a method for forming an interlayer insulating film of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명DESCRIPTION OF THE REFERENCE NUMERALS
21 : 반도체 기판 22 : 게이트산화막21
23 : 폴리실리콘 24 : 텅스텐실리사이드23
25 : 게이트하드마스크질화막 26b : 게이트스페이서25: gate hard
27 : 산화막시드층 28 : 층간절연막27 oxide
200 : 게이트스택200: gate stack
본 발명은 반도체 제조기술에 관한 것으로, 특히 보이드가 발생하지 않는 층간절연막의 형성 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to semiconductor manufacturing technology, and more particularly to a method of forming an interlayer insulating film in which voids do not occur.
반도체소자의 집적도가증가함에 따라 트랜지스터 또는 게이트전극 사이를 절연시키는 층간절연기술이 중요하게 된다. 특히, 집적도와 게이트전극의 스택 높이가 높아짐에 따라 절연막이 채워질 종횡비(Aspect ratio)가 커지기 때문에, 절연막을 갭필(Gapfill)시키기 어려워 보이드(Void)가 발생한다.As the degree of integration of semiconductor devices increases, the interlayer insulation technology to insulate between transistors or gate electrodes becomes important. In particular, as the integration ratio and the stack height of the gate electrode are increased, the aspect ratio for filling the insulating layer increases, making voids difficult to gapfill the insulating layer.
이렇게 형성된 보이드는 후속 세정 공정들 중에서 절연막의 식각속도를 증가시켜, 결국에는 게이트전극 사이의 절연막이 모두 제거되어 DC Fail를 발생시켜 수율을 감소시키는 문제를 초래한다.The voids thus formed increase the etching rate of the insulating film during subsequent cleaning processes, and eventually, all the insulating films between the gate electrodes are removed, resulting in a DC fail to reduce the yield.
도 1은 종래기술에 따른 반도체소자의 층간절연막 형성 방법을 간략히 도시한 도면이다.1 is a view briefly illustrating a method for forming an interlayer insulating film of a semiconductor device according to the prior art.
도 1에 도시된 바와 같이, 반도체기판(11) 상에 게이트산화막(12)을 형성한 후, 게이트산화막(12) 상에 폴리실리콘(13), 텅스텐실리사이드(14) 및 게이트하드마스크질화막(15)의 순서로 적층되는 게이트 스택(100)을 형성한다.As shown in FIG. 1, after the
이어서, 게이트 스택(100)을 포함한 전면에 스페이서질화막을 증착한 후, 스페이서식각을 진행하여 게이트스택(100)의 양측벽에 접하는 게이트스페이서(16)를 형성한다. 이때, 반도체 기판(11) 상부에 스페이서질화막(16a)이 잔류할 수 있다.Subsequently, after the spacer nitride film is deposited on the entire surface including the
이어서, 게이트스페이서(16)를 포함한 전면에 게이트스택(100) 사이를 갭필하는 층간절연막(Inter Layer Dielectric, 17)을 형성한다.Subsequently, an interlayer dielectric 17 is formed on the entire surface including the
그러나, 종래기술은 층간절연막(17) 형성시 게이트스택(100) 사이에서 층간절연막(17)이 완전히 채워지지 않고 비어있는 보이드(V)가 발생하는 문제가 있다. 이때, 보이드(V)가 발생하는 이유는 게이트스택(100)의 높이가 높아짐에 따라 종횡비가 증가하게 되고, 이러한 높은 종횡비를 갖는 게이트스택(100) 사이의 공간을 모두 채우기 전에 게이트스택(100) 상부에서 층간절연막(17)이 형성되기 때문이다.However, the related art has a problem in that the void V is generated without the
이러한 보이드 문제를 비단 게이트전극은 물론 반도체소자 제조 공정시 높이가 증가하는 비트라인 등의 전도체 사이를 절연하기 위한 층간절연막 형성시에도 발생한다.This void problem occurs not only in the gate electrode but also in the formation of an interlayer insulating film for insulating between conductors, such as bit lines, of which height increases during a semiconductor device manufacturing process.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 게이트스택과 같은 전도체 사이를 절연시키기 위한 층간절연막 형성시 보이드가 발생하는 것을 방지할 수 있는 반도체소자의 층간절연막 형성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve the above problems of the prior art, and provides a method for forming an interlayer insulating film of a semiconductor device capable of preventing voids from occurring when forming an interlayer insulating film for insulating between conductors such as a gate stack. The purpose is.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체소자의 층간절연막 형성 방법은 반도체 기판 상에 전극물질과 하드마스크질화막의 순서로 적층되는 전도체 스택을 형성하는 단계, 상기 전도체 스택의 양측벽에 접하는 스페이서를 형성하는 단계, 상기 스페이서의 표면 일부를 산화시켜 산화막시드층을 형성하는 단계, 및 상기 산 화막시드층을 시드로 이용하여 상기 전도체 스택 사이를 갭필하는 층간절연막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 산화막시드층을 형성하는 단계는 라디칼산화 공정으로 진행하는 것을 특징으로 하고, 상기 라디칼산화 공정은, 열라디칼산화공정 또는 플라즈마산화공정으로 진행하는 것을 특징으로 하며, 상기 열라디칼산화 공정은 700℃~ 1000℃의 온도와 10mTorr~100Torr의 저압에서 진행하며, 산화분위기는 H2/O2의 혼합가스 또는 D2/O2의 혼합가스를 이용하는 것을 특징으로 하고, 상기 플라즈마산화공정은 25℃~700℃의 저온에서 진행하며, 산화소스는 O2, H2/O2 또는 D2/O2 중에서 선택되고, 플라즈마를 형성하기 위해서 소스플라즈마파워는 10W~5000W로 인가하고, 바이어스플라즈마파워는 0W~1000W로 인가하여 진행하는 것을 특징으로 하며, 상기 플라즈마 산화 공정시, 압력은 10mTorr~100Torr의 고압을 유지하고, 플라즈마처리시간은 5초~500초동안 진행하며, 산화소스의 유량은 5sccm~5000sccm으로 하는 것을 특징으로 한다.In the method for forming an interlayer insulating film of a semiconductor device of the present invention for achieving the above object, forming a conductor stack stacked in the order of an electrode material and a hard mask nitride film on a semiconductor substrate, forming a spacer in contact with both side walls of the conductor stack And forming an oxide film seed layer by oxidizing a portion of the surface of the spacer, and forming an interlayer insulating film gap gap between the conductor stacks using the oxide film seed layer as a seed. The forming of the oxide film seed layer may be performed by a radical oxidation process, wherein the radical oxidation process may be performed by a thermal radical oxidation process or a plasma oxidation process, and the thermal radical oxidation process is 700 It proceeds at a temperature of ℃ ~ 1000 ℃ and low pressure of 10mTorr ~ 100Torr, and the oxidation atmosphere is H 2 / O wherein the second using a mixed gas of the mixed gas or D 2 / O 2 in, and the plasma oxidation process proceeds at a low temperature of 25 ℃ ~ 700 ℃, oxidation source is O 2, H 2 / O 2 Or D 2 / O 2 , wherein source plasma power is applied at 10 W to 5000 W, and bias plasma power is applied at 0 W to 1000 W to form a plasma. Is maintained at a high pressure of 10mTorr ~ 100Torr, the plasma treatment time is 5 seconds to 500 seconds, the flow rate of the oxidation source is characterized in that 5sccm ~ 5000sccm.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. .
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 반도체소자의 층간절연막 형성 방법을 도시한 공정 단면도이다.2A to 2C are cross-sectional views illustrating a method of forming an interlayer insulating film of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 2a에 도시된 바와 같이, 반도체기판(21) 상에 게이트산화막(22)을 형성한 후, 게이트산화막(22) 상에 폴리실리콘(23), 텅스텐실리사이드(24) 및 게이트하드마스크질화막(25)의 순서로 적층되는 게이트 스택(200)을 형성한다.As shown in FIG. 2A, after the
이어서, 게이트 스택(200)을 포함한 전면에 스페이서질화막을 증착한 후, 스페이서식각을 진행하여 게이트스택(200)의 양측벽에 접하는 게이트스페이서(26b)를 형성한다. 이때, 스페이서질화막은 SiN으로 형성한다.Subsequently, a spacer nitride film is deposited on the entire surface including the
이러한 스페이서식각후에 게이트 스택(200) 사이의 반도체기판(21) 상부에는 스페이서질화막(26a)이 잔류할 수 있다. 예를 들어, 스페이서식각후에 콘택식각배리어 물질로 질화막을 추가로 증착할 수 있기 때문에, 층간절연막이 증착될 하부구조가 질화막 물질이 형성된 상태라 가정하는 것이다.After the spacer etching, the
도 2b에 도시된 바와 같이, 질화막 계열의 물질이 형성된 하부구조물에 대해 라디칼산화(Radical oxidation) 공정을 진행하여 잔류하는 스페이서질화막(26a) 및 게이트스페이서(26b)의 표면 일부를 산화시킨다. 이때, 게이트하드마스크질화막(25)도 표면 일부가 산화된다.As shown in FIG. 2B, a radical oxidation process is performed on the substructure on which the nitride film-based material is formed to oxidize a portion of the surface of the
이러한 라디칼산화 공정에 의해 잔류하는 스페이서질화막(26a)이 산화되어 형성된 산화막(27a), 게이트스페이서(26b)가 산화되어 형성된 산화막(27b)과 게이트하드마스크질화막(25)이 산화되어 형성된 산화막(27c)이 형성되고, 이러한 산화막(27a, 27b, 27c)은 5Å~100Å 두께이다.The
라디칼산화 공정은 통상적인 산화공정과는 다르게, 라디칼산소원자(Radical oxygen atom)를 이용하기 때문에, 스페이서질화막(26a)도 산화시킬 수 있다. 여기서, 라디칼산화공정에 의해 형성된 산화막(27a, 27b, 27c)은 후속 층간절연막 증착 시 시드층으로 작용하기 때문에 보이드가 없는 층간절연막의 갭필이 가능해진다. 이하, 산화막(27a, 27b, 27c)을 '산화막시드층(27)'이라고 약칭한다.Unlike the normal oxidation process, the radical oxidation process uses a radical oxygen atom, so that the
상기 라디칼산화 공정은 열라디칼산화(Thermal radical oxidation) 공정 또는 플라즈마산화(Plasma oxidation) 공정을 이용한다. 여기서, 플라즈마산화 공정은 열라디칼산화공정에 비해 낮은 온도에서 플라즈마를 이용하여 라디칼산소원자를 형성하는 산화 공정이다.The radical oxidation process uses a thermal radical oxidation process or a plasma oxidation process. Here, the plasma oxidation process is an oxidation process for forming radical oxygen atoms using plasma at a lower temperature than the thermal radical oxidation process.
먼저, 열라디칼산화 공정은 700℃~ 1000℃의 온도와 10mTorr~100Torr의 저압에서 진행하며, 산화분위기는 H2/O2의 혼합가스 또는 D2/O2[여기서, D는 중수소(Deuterium)를 일컫는다]의 혼합가스를 이용한다. First, the thermal radical oxidation process is carried out at a temperature of 700 ℃ to 1000 ℃ and a low pressure of 10 mTorr ~ 100 Torr, the oxidation atmosphere is a mixed gas of H 2 / O 2 or D 2 / O 2 [where D is deuterium (Deuterium) ] Is used.
그리고,플라즈마 산화 공정은 25℃~700℃의 저온에서 진행하며, 산화소스는 O2, H2/O2 또는 D2/O2 중에서 선택되고, 플라즈마를 형성하기 위해서 소스플라즈마파워는 10W~5000W로 인가하고, 바이어스플라즈마파워는 0W~1000W(바이어스파워는 플라즈마중의 라디칼산소원자를 끌어당기는 힘의 정도를 조절하는 것이므로 소스파워가 인가된 상태에서는 0W를 인가할 수도 있다)로 인가한다. 그리고, 플라즈마산화공정시, 압력은 10mTorr~100Torr의 고압을 유지하고, 플라즈마처리시간은 5초~500초동안 진행하며, 산화소스의 유량은 5sccm~5000sccm으로 한다. 한편, 산화소스에 필요에 따라 He, Ar, Kr 또는 Xe 중에서 선택되는 비활성가스를 첨가할 수도 있다. 이러한 비활성가스는 라디칼산소원자의 발생을 원활하게 하는 역할을 한다.The plasma oxidation process is performed at a low temperature of 25 ° C. to 700 ° C., and the oxidation source is selected from O 2 , H 2 / O 2, or D 2 / O 2 , and the source plasma power is 10 W to 5000 W to form a plasma. The bias plasma power is applied to 0W to 1000W (Bias power is to control the degree of the force that pulls radical oxygen atoms in the plasma, so 0W may be applied when the source power is applied). In the plasma oxidation process, the pressure is maintained at a high pressure of 10 mTorr to 100 Torr, the plasma treatment time is 5 seconds to 500 seconds, and the flow rate of the oxidation source is 5 sccm to 5000 sccm. In addition, an inert gas selected from He, Ar, Kr or Xe may be added to the oxidation source as needed. This inert gas serves to facilitate the generation of radical oxygen atoms.
전술한 바와 같은 열라디칼산화공정 또는 플라즈마산화공정을 이용하면, 게이트스택의 텅스텐실리사이드(24) 및 폴리실리콘(23)은 산화시키지 않고 선택적으로 질화막 물질인 게이트하드마스크질화막(25), 게이트스페이서(26b)의 표면 일부만 산화시킬 수 있다.By using the thermal radical oxidation process or the plasma oxidation process as described above, the
도 2c에 도시된 바와 같이, 산화막시드층(27)이 형성된 상태에서 층간절연막(28)을 증착한다. 이때, 층간절연막(28)은 BPSG, HDP 산화막과 같은 산화막 물질로 형성하는데, 산화막시드층(27)이 층간절연막(28) 증착시 시드층 역할을 하여 층간절연막(28)이 보이드없이 게이트스택(200) 사이를 갭필한다.As shown in FIG. 2C, the
즉, 산화막시드층(27)이 존재한 상태에서 층간절연막(28)을 증착하면, 게이트스택(200) 사이의 공간에서 층간절연막(28)의 증착속도가 매우 빠르게 되어 보이드없이 층간절연막(28)을 증착할 수 있다. 예컨대, 층간절연막(28)이 형성될 하부구조가 스페이서질화막과 같은 질화막이 잔류한 상태에서는 층간절연막(28) 증착시 보이드가 발생하는 것을 피할 수 없으나, 층간절연막(28)과 동일계열의 물질인 산화막시드층(27)이 형성된 상태에서는 보이드없이 층간절연막(28)을 증착할 수 있다.That is, when the
상술한 실시예에서는 게이트스택 사이를 채우는 층간절연막의 형성 방법에 대해 설명하였으나, 본 발명은 비트라인 스택 사이를 채우는 층간절연막의 형성 방법에도 산화막시드층을 적용할 수 있다.In the above-described embodiment, the method of forming the interlayer insulating film filling the gaps between the gate stacks has been described. However, the present invention may also apply the oxide seed layer to the method of forming the interlayer insulating film filling the gaps between the bit line stacks.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여 야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical spirit of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
상술한 본 발명은 라디칼산화 공정을 통해 하부구조물을 산화시켜 산화막시드층을 미리 형성해주고, 이 산화막 시드층을 시드로 이용하므로 보이드없이 층간절연막을 갭필하여 반도체소자의 전기적 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, the oxide structure is pre-formed by oxidizing a lower structure through a radical oxidation process, and since the oxide seed layer is used as a seed, an interlayer insulating film can be gap-filled without voids to improve electrical reliability of a semiconductor device. There is.
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