KR100459683B1 - Manufacturing method of polysilicon pattern for semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 장치의 패턴 형성 방법에 관한 것으로서, 특히 경사 식각 방법을 이용한 반도체 장치의 폴리실리콘 패턴 형성 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of forming a pattern of a semiconductor device, and more particularly, to a method of forming a polysilicon pattern of a semiconductor device using a gradient etching method.
반도체 장치의 고집적화가 급속히 이루어짐에 따라 반도체 기판 상에서 패턴(pattern)이 형성되는 영역이 축소되어 패턴간의 간격이 작아진다. 따라서 반도체 기판 상의 구조물들의 단차는 상대적으로 높아진다. 이와 같은 패턴간의 간격이 좁고 단차가 높은 구조물 상에 물질층을 도포하여 패터닝하면, 상기 단차 부위의 구석에 잔존물, 예컨대 스트링거(stringer)가 잔존한다. 특히, 상기 구조물 측벽이 수직이거나 음의 경사(negative slope), 즉 단차의 하부 간격이 상부 간격보다 큰경우에는 상기 스트링거가 양의 경사(positive slope), 즉 단차의 하부 간격이 상부 간격보다 작은 경우 보다 많이 잔존한다. 상기 물질층이 도전성을 갖는 경우, 예컨대 폴리실리콘층이나 금속층인 경우에는 잔존되는 스트링거가 전기적 저항체로 작용하여 반도체 소자의 전기적 불량율을 증가시킨다.As the integration of semiconductor devices is rapidly increased, the area in which a pattern is formed on a semiconductor substrate is reduced, and the distance between patterns becomes smaller. Thus, the step height of the structures on the semiconductor substrate is relatively high. When a pattern of materials is applied and patterned on a structure having a narrow gap between such patterns and a high step, residues, eg, stringers, remain in the corners of the stepped portions. In particular, if the sidewall of the structure is vertical or negative slope, i.e., the lower gap of the step is greater than the upper gap, the stringer has a positive slope, i.e., the lower gap of the step is less than the upper gap. More remaining When the material layer is conductive, for example, a polysilicon layer or a metal layer, the remaining stringer acts as an electrical resistor to increase the electrical failure rate of the semiconductor device.
도 1을 참조하여 종래의 방법의 문제점을 나타낸다. 종래의 방법은 다음과 같은 방법으로 폴리실리콘(polysilicon) 패턴을 형성한다. 먼저, 반도체 기판(10) 상에 제1 하부 물질층(20), 예컨대 질화 실리콘(SiN)층과 같은 절연층을 형성한다. 상기 제1 하부 물질층(20) 상에 제1 도전층 패턴(30)과 제2 하부 물질층 패턴(40), 예컨대 질화 실리콘층과 같은 절연층을 형성한다. 이후에 상기 제2 하부 물질층 패턴(40) 상에 제2 도전층, 예컨대 폴리실리콘층을 형성한다. 이후에 상기 제2 도전층 상에 포토레지스트 패턴(photoresist pattern; 도시되지 않음)을 형성한다. 상기 포토레지스트 패턴을 마스크(mask)로 상기 제2 도전층의 일부를 건식 식각하여 제2 도전층 패턴(50), 즉 폴리실리콘 패턴을 형성한다. 이후에, 일정 시간 동안 과도 식각(over etching)을 수행한다.Referring to Fig. 1, the problem of the conventional method is shown. The conventional method forms a polysilicon pattern in the following manner. First, an insulating layer such as a first
이와 같은 종래의 방법에서는 상기 제2 도전층을 식각할 때, A와 같은 식각되지 않은 돌출부가 형성될 수 있다. 또한, 상기 제2 도전층을 식각할 때 단차부에 스트링거(60)가 잔존한다. 상기 스트링거(60)를 제거하기 위해서 과다한 과도 식각이 필요하다. 이러한 과다한 과도 식각에 의해서 공정 마진이 더욱 감소된다. 또한, 얇은 두께로 형성되는 제1 및 제2 하부 물질층 패턴(20, 40)이 심하게 침해되어 결함(B)이 발생할 수 있다. 상기 결함은 이후의 금속 배선 공정 등에서 전기적단락(short)과 같은 전기적인 결함이 발생하게 된다.In such a conventional method, when etching the second conductive layer, an unetched protrusion such as A may be formed. In addition, the
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 하부 물질층의 심한 침해를 방지하고 잔존하는 스트링거를 제거하며 물질층 패턴, 특히 폴리실리콘 패턴을 형성할 수 있는 방법을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide a method for preventing severe invasion of a lower material layer, removing remaining stringers, and forming a material layer pattern, particularly a polysilicon pattern.
도 1은 종래의 폴리실리콘 패턴 형성 방법의 문제점을 설명하기 위해서 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view for explaining the problem of the conventional polysilicon pattern forming method.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 폴리실리콘 패턴 형성 방법을 설명하기 위해서 도시한 단면도들이다.2 to 6 are cross-sectional views for explaining the polysilicon pattern forming method of the present invention.
상기 기술적 과제를 이루기 위해서 본 발명은, 하부 구조를 포함하는 반도체 기판 상에 폴리실리콘층을 형성한다. 연후에, 상기 폴리실리콘층 상에 식각 저지층 패턴을 형성한다. 이때 상기 식각 저지층 패턴으로 포토레지스트 패턴을 이용한다. 이후에, 상기 식각 저지층 패턴을 마스크로 헬륨(He) 가스, 육불화 황(SF6) 가스 및 염소(Cl2) 가스를 포함하는 반응 가스로 상기 폴리실리콘층을 양의 경사를 가지도록 경사 식각한다. 이때, 상기 염소(Cl2) 가스의 흐름량은 헬륨(He) 가스 또는 육불화 황(SF6) 가스의 흐름량의 30 % 이하이다. 또한, 상기 하부 구조의 표면을 식각의 반응 종말점으로 이용한다. 연후에 헬륨(He) 가스와 육불화 황(SF6) 가스를 포함하는 반응 가스로 상기 폴리실리콘 스트링거를 식각하여 제거한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention forms a polysilicon layer on a semiconductor substrate including a lower structure. After the etching, an etch stop layer pattern is formed on the polysilicon layer. In this case, a photoresist pattern is used as the etch stop layer pattern. Subsequently, the polysilicon layer is inclinedly etched to have a positive inclination with a reaction gas including helium (He) gas, sulfur hexafluoride (SF6) gas, and chlorine (Cl2) gas using the etch stop layer pattern as a mask. . At this time, the flow rate of the chlorine (Cl2) gas is 30% or less of the flow rate of the helium (He) gas or sulfur hexafluoride (SF6) gas. In addition, the surface of the substructure is used as the reaction endpoint of etching. After the removal, the polysilicon stringer is etched and removed with a reaction gas including helium (He) gas and sulfur hexafluoride (SF6) gas.
또한 본 발명은, 상기 경사 식각하는 단계 이후에 상기 경사 식각의 결과물을 일정 시간 과도 식각하는 단계를 더 부가한다. 이때, 염소(Cl2) 가스 및 브롬화 수소(HBr) 가스를 포함하는 반응 가스로 과도 식각을 수행한다. 연후에 상기 과도 식각한 결과물을 헬륨(He) 가스와 육불화 황(SF6) 가스를 포함하는 반응 가스로 식각하여 잔류되는 폴리실리콘 스트링거를 제거한다.In addition, the present invention further includes the step of over-etching the resultant of the inclined etching after a predetermined time. At this time, transient etching is performed with a reaction gas including chlorine (Cl 2) gas and hydrogen bromide (HBr) gas. Subsequently, the excess etched resultant is etched with a reaction gas including helium (He) gas and sulfur hexafluoride (SF6) gas to remove the remaining polysilicon stringer.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 폴리실리콘 패턴 형성 방법을 설명하기 위해서 도시한 단면도들이다.2 to 6 are cross-sectional views for explaining the polysilicon pattern forming method of the present invention.
도 2는 반도체 기판(100) 상에 하부 구조를 형성하는 단계를 나타낸다.2 illustrates a step of forming a lower structure on the
먼저, 반도체 기판(100) 상에 질화 실리콘층 (SiN)을 대략 300Å의 두께로 도포하여 제1 절연층(200)을 형성한다. 이후에 상기 제1 절연층(200) 상에 폴리실리콘층과 같은 도전층을 대략 4000Å의 두께로 형성한다. 연이어 상기 도전층 상에 제1식각 저지층 패턴(도시되지 않음), 예컨대, 포토레지스트 패턴을 형성한다. 상기 제1식각 저지층 패턴을 마스크로 상기 도전층의 일부 영역을 식각하여 도전층 패턴(300)을 형성한다. 이때, 건식 식각 또는 습식 식각 방법을 이용한다. 바람직하게는 플라즈마(plasma) 발생 장치를 이용한 건식 식각 방법을 이용한다.First, a silicon nitride layer (SiN) is coated on the
상기 도전층 패턴(300)의 측벽은 임의의 경사를 가질 수 있다. 예컨대, 전하 결합 소자(CCD;Charge Coupled Device)의 경우에는 상기 도전층 패턴(300)의 측벽은 수직의 경사를 가지거나 혹은 필요에 따라 음의 경사, 즉, 상기 도전층 패턴(300)의 상부 폭이 하부 폭보다 큰 경우와 같은 경사를 가질 수 있다. 또한 도 1에 도시한 바와 같이 양의 경사, 즉 제1 도전층 패턴(300)의 상부 폭이 하부 폭보다 작은 경우와 같은 경사를 가질 수 있다.Sidewalls of the
연후에, 상기 도전층 패턴(300)을 뒤덮는 절연층을 형성한다. 예컨대, 질화 실리콘층을 형성한다. 이후에 상기 질화 실리콘층 상에 제2식각 저지층 패턴(도시되지 않음), 예컨대 포토레지스트 패턴을 형성한다. 상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 상기 질화 실리콘층을 식각한다. 예컨대 플라즈마 발생 장치를 이용하여 건식 식각 방법으로 질화 실리콘층을 식각한다. 이와같이 하여 상기 도전층 패턴(300)을 뒤덮는 제2 절연층 패턴(400)을 형성한다. 이때, 상기 제2 절연층 패턴(400)은 대략 300Å 내지 400Å의 두께를 가지도록 형성한다. 상술한 바와 같이 반도체 기판(100) 상에 하부 구조를 형성한다.After that, an insulating layer covering the
도 3은 반도체 기판(100) 상에 폴리실리콘층(500)과 제3 식각 저지층 패턴(600)을 순차적으로 형성하는 단계를 나타낸다.3 illustrates a step of sequentially forming the
먼저, 반도체 기판(100) 상에 상기 제2 절연층 패턴(400)을 뒤덮는 폴리실리콘층(500)을 대략 4000Å 정도의 두께로 형성한다. 이때, 화학 기상 증착법(CVD;Chemical Vapour Deposition) 등과 같은 방법을 이용한다. 이후에 상기 폴리실리콘층(500) 상에 포토레지스트층을 도포한다. 이후에, 상기 포토레지스트층을 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하여 제3식각 저지층 패턴(600)을 형성한다.First, a
도 4는 폴리실리콘층(500)을 패터닝하여 폴리실리콘 패턴(550)을 형성하는 단계를 나타낸다.4 illustrates the step of patterning the
상기 제3식각 저지층 패턴(600), 예컨대 포토레지스트 패턴을 마스크로 플라즈마 발생 장치를 이용하는 방법과 같은 건식 식각 방법으로 상기 폴리실리콘층(500)을 식각한다. 이때, 육불화 황(SF6)가스, 염소(Cl2) 가스 및 헬륨(He) 가스를 포함하는 반응 가스를 식각 가스로 이용한다. 상기 반응 가스는 상기 폴리실리콘층(500)을 등방성(isotropic) 식각하는 조건이다. 즉, 식각 반응이진행됨에 따라 상기 폴리실리콘층(500)의 노출된 영역이 식각되며, 동시에 상기 제3식각 저지층 패턴(600)에 의해 실딩(shielding)되는 계면부(700)에서의 폴리실리콘층(500)의 일부도 식각된다. 상기 폴리실리콘층(500)의 노출된 영역의 표면부에서 하내부로 식각 반응이 진행됨에 따라 상기 식각 저지층 패턴(600)에 의해 실딩되는 부분으로도 계속 식각된다. 따라서 형성되는 측벽이 양의 경사를 가진다. 이와 같이 폴리실리콘 패턴(550)이 형성된다.The
상기 측벽의 경사 정도는 식각 조건, 예컨대 공급되는 반응 가스의 흐름량과 그 중의 성분 가스의 흐름량 비, 식각 반응 시간 및 식각 반응 시 플라즈마 발생 장치에 인가되는 전력 등에 의해서 조절된다. 본 실시예에서 20sccm(Standard Cubic CentiMeter) 내지 300sccm의 흐름량을 가지는 염소 가스, 100sccm 내지 1000sccm의 흐름량을 가지는 육불화 황 가스 및 100sccm 내지 1000sccm의 흐름량을 가지는 헬륨 가스를 포함하는 반응가스를 이용한다. 이때, 상기 반응 가스의 각 성분 가스 중 염소 가스의 흐름량은 육불화 황 가스의 흐름량에 비해 많아야 30% 이하가 되도록 공급한다. 이와 같은 식각 조건으로 양의 경사의 프로파일(profile)을 가지는 폴리실리콘 패턴(550)을 형성할 수 있다. 따라서 잔류되는 잔류물 및 폴리실리콘 스트링거를 음의 경사 또는 수직의 경사를 가지는 폴리실리콘 패턴의 경우에 비해 보다 용이하게 제거할 수 있다. 또한, 상기 식각 조건으로 상기 식각 저지층 패턴(600)과 상기 폴리실리콘 패턴(550)의 계면부(700)에서의 폴리실리콘이 식각되지 않아 발생하는 종래의 돌출부(A)와 같은 불량을 방지할 수 있다.The degree of inclination of the side wall is controlled by an etching condition, for example, the flow rate of the reactant gas supplied and the flow rate of the component gas therein, the etching reaction time, and the power applied to the plasma generator during the etching reaction. In the present embodiment, a reaction gas including a chlorine gas having a flow rate of 20 sccm (Standard Cubic CentiMeter) to 300 sccm, a sulfur hexafluoride gas having a flow rate of 100 sccm to 1000 sccm, and a helium gas having a flow rate of 100 sccm to 1000 sccm is used. At this time, the flow rate of the chlorine gas in each component gas of the reaction gas is supplied to be at most 30% or less than the flow rate of the sulfur hexafluoride gas. Under such etching conditions, a
폴리실리콘 패턴(550)의 하부 구조(200, 300, 400)의 상부 표면(400)을 경사식각의 종말점으로 이용한다. 즉, 상기 제2 절연층 패턴(400)의 표면을 상기 경사 식각의 종말점으로 이용한다. 예를 들어, 제2 절연층 패턴(400)이 질화 실리콘층일 경우에는, 상기 경사 식각이 진행되는 도중에 질화물이 검출되면 상기 경사 식각을 중단한다. 이와 같이 하면 상기 경사 식각 반응의 잔류물이 상기 하부 구조의 측면에 폴리실리콘 스트링거(800) 형태로 남게된다. 또한 상기 폴리실리콘 패턴(550)의 하부 측벽부에 식각되지 않고 잔류되는 잔류물(900)이 남게 된다. 이후에 상기 스트링거(800)와 잔류물(900)을 제거한다.The
도 5는 반도체 기판(100) 상에서 스트링거(800) 및 잔류물(900)을 제거하는 단계를 나타낸다.5 illustrates removing the
경사 식각 단계 이후에 헬륨 가스 및 육불화 황 가스를 포함하는 반응 가스로 상기 경사 식각 단계의 결과물을 상기 폴리실리콘 패턴(550)의 프로파일(profile)이 침해되지 않도록 식각 시간을 조절하여 등방성 식각한다. 상기 헬륨 가스 및 육불화 황 가스를 포함하는 반응 가스는 경사 식각 단계에서 이용된 반응 가스에 비해 폴리실리콘과의 반응성이 더 높다. 따라서 보다 짧은 시간 내에 상기 잔류물(900) 및 스트링거(800)를 제거할 수 있어 하부의 제1 및 제2 절연층(200, 400)의 침해를 방지할 수 있다. 또한 등방성 식각을 진행하므로 상기 하부 구조의 측벽이 수직이나 음의 경사를 가지는 경우에도 상기 폴리실리콘 스트링거(800)는 용이하게 제거될 수 있다. 더욱이 상기 폴리실리콘 패턴(550)은 양의 경사를 가지므로 상기 잔류물(900)은 보다 용이하게 제거될 수 있다. 또한 이후에 상기 폴리실리콘 패턴(550) 상에 절연층(도시되지 않음) 및 도전층(도시되지않음)을 더 도포하여 패터닝할 때, 상기 폴리실리콘 스트링거(800)와 같은 식각 잔류물의 제거가 용이해진다. 이와 같이 상기 폴리실리콘 스트링거(800)와 잔류물(900)을 제거한다.After the gradient etching step, the reaction gas including the helium gas and the sulfur hexafluoride gas is isotropically etched by adjusting the etching time so that the profile of the
또는, 등방성 식각 단계를 수행하는 전 단계로 과도 식각(over etching)을 추가로 수행할 수 있다. 예컨대, 도 4를 참조하여 설명한 경사 식각 공정의 반응 가스, 즉, 육불화 황(SF6)가스, 염소(Cl2) 가스 및 헬륨(He) 가스를 포함하는 반응 가스로 식각 종말점이 검출된 이 후에도 일정 시간 더 식각 반응을 진행시킨다.Alternatively, over etching may be further performed as a step before performing the isotropic etching step. For example, even after the etching end point is detected by the reactive gas of the gradient etching process described with reference to FIG. 4, that is, a reactive gas including sulfur hexafluoride (SF6) gas, chlorine (Cl2) gas, and helium (He) gas. Time proceeds the etching reaction further.
또는, 상기 경사 식각 공정의 식각 종말점을 검출하여 상기 식각 반응을 종말한 이후에 상기 반응 가스를 대체하는 다른 반응 가스로 과도 식각을 수행한다. 예컨대, 상기 제2 절연층 패턴(400) 또는 상기 제1 절연층 패턴(200) 및 제2 절연층 패턴(400)과의 식각 선택비가 경사 식각에서 사용되는 식각 조건에 비해 높은 식각 조건으로 과도 식각을 진행한다. 예컨대, 본 실시예의 상기 제1절연층 패턴(200) 및 제2절연층 패턴(400)인 질화 실리콘층과 식각 선택비가 상기 경사 식각에서 사용된 반응 가스 보다 높은 브롬화 수소(HBr) 가스 및 염소 가스를 포함하는 반응 가스로 과도 식각을 진행한다. 이와 같이 하면 상기 제1 및 제2 절연층 패턴(200, 400)의 침해를 방지하며 상기 경사 식각 공정의 잔류물(900) 및 폴리실리콘 스트링거(800)의 일부를 제거할 수 있다. 이때 상기 폴리실리콘 패턴(550)의 프로파일이 침해되지 않도록 과도 식각의 진행 시간을 조절한다.Alternatively, after the etching end point of the oblique etching process is detected to terminate the etching reaction, transient etching is performed with another reaction gas replacing the reaction gas. For example, the etching selectivity of the second insulating
이후에, 상기 헬륨 가스 및 육불화 황 가스를 포함하는 반응 가스로 상기 과도 식각의 결과물을 등방성 식각한다. 이와 같은 등방성 식각을 수행함으로써 과도식각의 결과물에 잔류하는 폴리실리콘 스트링거(800)와 잔류물(900)을 제거한다. 이때, 상기 폴리실리콘 패턴(550)의 프로파일(profile)이 침해되지 않도록 상기 등방성 식각 시간을 조절한다. 이와 같이 상기 경사 식각이 종말된 후 잔류물(900) 및 스트링거(800)를 제거하는 단계의 전 단계로 과도 식각을 더 추가하여 상기 제1 및 제2 절연층 패턴(200, 400)의 침해를 더 방지하며 잔류물(900) 및 스트링거(800)를 제거할 수 있다.Thereafter, the resultant of the excessive etching isotropically etched with a reaction gas containing the helium gas and sulfur hexafluoride gas. By performing this isotropic etching, the
도 5는 반도체 기판(100) 상으로부터 식각 저지층 패턴(600)을 제거하는 것을 나타낸다.5 illustrates removing the etch
상기 잔류물(900) 및 폴리실리콘 스트링거(800)를 제거한 연후에 상기 제3식각 저지층 패턴(600)을 제거한다. 예컨대, 상기 제3식각 저지층 패턴(600)이 포토레지스트 패턴인 경우 애슁(ashing)하여 제거한다. 이후에 상기 애슁된 결과물을 습식 세정 방법으로 세정한다.After removing the
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해서 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.In the above, the present invention has been described in detail with reference to specific embodiments, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and modifications and improvements of the present invention are made by those skilled in the art within the scope of the technical idea of the present invention. It is obvious that this is possible.
상술한 방법으로 양의 경사진 측벽을 가지는 폴리실리콘 패턴을 형성할 수 있다. 따라서 이후의 물질층 패턴을 형성할 때 잔류되는 스트링거 등과 같은 잔류물의 제거가 용이하다. 또한 상기 폴리실리콘층의 노출되지 않은 영역과 상기 마스크로 사용된 식각 저지층 패턴의 계면에서 발생하는 폴리실리콘 패턴의 프로파일불량을 방지할 수 있다. 따라서 양호한 측벽의 프로파일을 가지는 폴리실리콘 패턴을 형성할 수 있다.The above-described method can form a polysilicon pattern having positively sloped sidewalls. Therefore, it is easy to remove residues such as stringers remaining when forming the material layer pattern thereafter. In addition, it is possible to prevent the defective profile of the polysilicon pattern generated at the interface between the unexposed region of the polysilicon layer and the etch stop layer pattern used as the mask. Thus, a polysilicon pattern having a good sidewall profile can be formed.
또한, 양의 경사진 측벽을 가지는 폴리실리콘 패턴과 헬륨 가스 및 육불화 황 가스를 포함하는 반응가스로 하부 물질층인 제1 절연층 및 제2 절연층에의 침해를 방지하며 잔류물 및 폴리실리콘 스트링거를 보다 용이하게 제거할 수 있다. 또한 브롬화 수소 가스 및 염소 가스를 포함하는 반응 가스로 과도 식각하는 단계를 추가함으로써 하부 물질층인 제1 절연층 및 제2 절연층에의 침해를 더 방지하며 잔류물 및 폴리실리콘 스트링거를 제거할 수 있다.In addition, the reaction gas containing a polysilicon pattern having positively inclined sidewalls and helium gas and sulfur hexafluoride gas is used to prevent intrusion into the first and second insulating layers, which are lower material layers, and to prevent residues and polysilicon. The stringer can be removed more easily. In addition, the step of over-etching with a reaction gas containing hydrogen bromide gas and chlorine gas can be added to further prevent intrusion into the underlying material layer, the first and second insulating layers, and remove residues and polysilicon stringers. have.
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