KR100244801B1 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 층간 절연막을 저유전 상수를 지닌 막을 이용하면서도, 금속 배선막의 변형이 없는 반도체 소자의 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device without deforming the metal wiring film while using the interlayer insulating film as a film having low dielectric constant.
본 발명은, (a)게이트 및 접합 영역이 형성된 반도체 기판을 형성하는 단계; (b)상기 반도체 기판상부에 제 1 층간 절연막을 형성하는 단계; (c)상기 제 1 층간 절연막 상부에 식각 저지층을 형성하는 단계; (d)상기 제 1 층간 절연막과, 식각 저지층을 상기 접합 영역의 소정 부분이 노출되도록 식각하여 콘택홀을 형성하는 단계; (e)상기 노출된 접합 영역과 콘택되도록 상기 식각 저지층 상부에 제 1 금속 배선을 형성하는 단계; (f)상기 제 1 금속 배선이 형성된 식각 저지층상에 제 2 층간 절연막을 형성하는 단계; (g)상기 제 1 금속 배선의 소정 부분이 노출되도록 제 2 층간 절연막을 식각하여 비아홀을 형성하는 단계; (h)상기 노출된 제 1 금속 배선과 콘택되도록 상기 제 2 층간 절연막상에 제 2 금속 배선을 형성하는 단계; (i)상기 제 2 층간 절연막을 선택적으로 제거하는 단계; (j)상기 제 2 층간 절연막이 제거된 부분에 저유전 상수를 갖는 절연막을 충진시키는 단계를 포함하며, 상기 저유전 상수를 지닌 절연막의 유전 상수는 2내지 4 인 것을 특징으로 한다.The present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device, the method comprising: (a) forming a semiconductor substrate on which a gate and a junction region are formed; (b) forming a first interlayer insulating film on the semiconductor substrate; (c) forming an etch stop layer on the first interlayer insulating film; (d) forming a contact hole by etching the first interlayer insulating layer and the etch stop layer to expose a predetermined portion of the junction region; (e) forming a first metal wire on the etch stop layer to contact the exposed junction region; (f) forming a second interlayer insulating film on the etch stop layer on which the first metal wiring is formed; (g) forming a via hole by etching the second interlayer insulating layer to expose a predetermined portion of the first metal wire; (h) forming a second metal wiring on the second interlayer insulating film to be in contact with the exposed first metal wiring; (i) selectively removing the second interlayer insulating film; (j) filling an insulating film having a low dielectric constant in a portion where the second interlayer insulating film is removed, wherein the dielectric constant of the insulating film having the low dielectric constant is 2 to 4.
Description
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 반도체 소자의 층간 절연막 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing an interlayer insulating film of a semiconductor device.
일반적으로, 반도체 소자는 신호 지연 시간(T=R(저항)×C(용량))에 의하여 그 성능이 좌우된다.In general, the performance of a semiconductor device depends on the signal delay time (T = R (resistance) × C (capacity)).
이에 종래에는 금속 배선막으로 낮은 비저항을 갖는 물질이 이용되고, 층간 절연막으로도 캐패시턴스가 작은 즉, 저유전 상수(ε=2 내지 4)를 갖는 절연막이 이용된다.Conventionally, a material having a low specific resistance is used as the metal wiring film, and an insulating film having a low capacitance, that is, a low dielectric constant (ε = 2 to 4), is also used as the interlayer insulating film.
여기서, 도 1을 참조하여 종래의 다층 금속 배선 방법을 설명하도록 한다.Here, a conventional multilayer metal wiring method will be described with reference to FIG. 1.
도면에서와 같이, 반도체 기판(1)상에는 소자 영역간을 분리시키기 위한 소자 분리막(2)이 형성되고, 소자 영역에는 게이트(3a) 및 접합 영역(3b, 3c)으로 구성된 트랜지스터(3)가 공지의 방식으로 형성된다. 그리고 나서, 반도체 기판 결과물 상에는 제 1 층간 절연막(4)이 소정 두께로 증착된다. 이어서, 제 1 층간 절연막(4)은 상기 접합 영역(3b, 3c)이 노출되도록 소정 부분 식각되어, 콘택홀이 형성된다. 그후, 콘택홀내에는 제 1 플러그(5)가 공지의 방식으로 매립, 형성된다음, 이 플러그와 콘택되도록 제 1 금속 배선(6)이 형성된다. 그후, 제 2 층간 절연막(7)이 증착된 후, 제 1 금속 배선(6)의 소정 부분이 노출되도록 비어홀이 형성된다. 이어, 비어홀내에는 제 2 플러그(8)이 공지의 방식으로 형성된후, 제 2 플러그(8)과 콘택되도록 제 2 금속 배선(9)이 형성된다.As shown in the figure, an
여기서, 제 1 및 제 2 금속 배선막(6, 9)으로는 전도 특성이 우수한 알루미늄 금속막이 이용되고, 제 1 및 제 2 층간 절연막(4, 7)로는 산화막 또는 평탄화막이 이용될 수 있다.Here, an aluminum metal film having excellent conductivity may be used as the first and second
이와같이, 제 1 및 제 2 층간 절연막(4, 7)으로 산화막 또는 산화막을 베이스로 하는 평탄화막을 사용할 경우, 층간 절연막의 유전 상수를 갖추기 위하여, F(fluorine) 이온을 주입할 수 있다. 그러나, 이러한 경우에는 F 이온이 금속 배선의 부식을 유발할 소지가 있다.As described above, when the oxide film or the oxide film-based planarization film is used as the first and second
따라서, 종래의 반도체 소자의 신호 지연 시간을 단축하기 위한 다른 방법은 도 2에 도시된 바와 같이, 제 2 층간 절연막(7)으로서, 수지막(7a)과 산화막(7b)을 적층하여 사용하는 방법이 제안되었다. 여기서, 상기 수지막(7a)는 유전상수가 2 내지 4이므로, 일반적인 실리콘 산화막에 비하여 유전상수가 매우 낮다. 이때, 제 1 층간 절연막(4)은 트랜지스터(3)과 접촉되어야 하므로, 저유전 상수를 지닌 수지막을 사용하지 않는다.Therefore, another method for shortening the signal delay time of the conventional semiconductor device is a method of laminating and using the
이와같이, 다층 금속 배선 공정에서 금속 배선 사이의 층간 절연막으로 저유전 상수를 지닌 수지막을 이용하여, 반도체 소자의 신호 지연 시간을 줄일 수 있다.As described above, the signal delay time of the semiconductor element can be reduced by using a resin film having a low dielectric constant as the interlayer insulating film between the metal wirings in the multilayer metal wiring process.
그러나, 층간 절연막으로 수지막을 이용하는 종래 기술은 다음과 같은 문제점을 지닌다.However, the prior art using a resin film as an interlayer insulating film has the following problems.
즉, 상기 저유전 상수를 지닌 수지막은 도포 이후, 후속 금속 배선 형성시의 증착 온도에서의 안정성이 감소하여, 변형 내지는 하부층과의 접착이 않되는 경우가 있다.That is, the resin film having the low dielectric constant may have a reduced stability at the deposition temperature upon subsequent metal wiring formation after application, and thus may not be adhered to the strain or the lower layer.
또한, 이 열처리 온도시, 이전에 형성된 제 1플러그(5)와 제 1 금속배선막(6)이 융점(660℃)에 다다르게 되어, 제 형태를 유지하기 어렵게 되는 문제점이 발생된다.Further, at this heat treatment temperature, the previously formed first plug 5 and the first
따라서, 본 발명은 층간 절연막을 저유전 상수를 지닌 막을 이용하면서도, 금속 배선 형성시에 절연막의 변형이 없는 반도체 소자의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor device in which an interlayer insulating film is used as a film having a low dielectric constant and no deformation of the insulating film at the time of metal wiring formation.
도 1 및 도 2는 종래의 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면.1 and 2 are diagrams for explaining a conventional method for manufacturing a semiconductor device.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 각 제조 공정별 단면도3A to 3E are cross-sectional views of respective manufacturing processes for explaining a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention.
도 4는 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 단면도4 is a cross-sectional view for explaining another embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
11 : 반도체 기판 12 : 소자 분리막11
13 : 트랜지스터 14 : 제 1 층간 절연막13: transistor 14: first interlayer insulating film
15 : 실리콘 질화막 16 : 제 1 플러그15
17 : 제 1 금속 배선 18 : 제 2 층간 절연막17
19 : 제 2 플러그 20 : 제 2 금속 배선19: second plug 20: second metal wiring
21 : 저유전 상수를 지닌 절연막21: insulating film with low dielectric constant
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, (a)게이트 및 접합 영역이 형성된 반도체 기판을 형성하는 단계; (b)상기 반도체 기판상부에 제 1 층간 절연막을 형성하는 단계; (c)상기 제 1 층간 절연막 상부에 식각 저지층을 형성하는 단계; (d)상기 제 1 층간 절연막과, 식각 저지층을 상기 접합 영역의 소정 부분이 노출되도록 식각하여 콘택홀을 형성하는 단계; (e)상기 노출된 접합 영역과 콘택되도록 상기 식각 저지층 상부에 제 1 금속 배선을 형성하는 단계; (f)상기 제 1 금속 배선이 형성된 식각 저지층상에 제 2 층간 절연막을 형성하는 단계; (g)상기 제 1 금속 배선의 소정 부분이 노출되도록 제 2 층간 절연막을 식각하여 비아홀을 형성하는 단계; (h)상기 노출된 제 1 금속 배선과 콘택되도록 상기 제 2 층간 절연막상에 제 2 금속 배선을 형성하는 단계; (i)상기 제 2 층간 절연막을 선택적으로 제거하는 단계; (j)상기 제 2 층간 절연막이 제거된 부분에 저유전 상수를 갖는 절연막을 충진시키는 단계를 포함하며, 상기 저유전 상수를 지닌 절연막의 유전 상수는 2내지 4인 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object of the present invention, the present invention, (a) forming a semiconductor substrate having a gate and a junction region formed; (b) forming a first interlayer insulating film on the semiconductor substrate; (c) forming an etch stop layer on the first interlayer insulating film; (d) forming a contact hole by etching the first interlayer insulating layer and the etch stop layer to expose a predetermined portion of the junction region; (e) forming a first metal wire on the etch stop layer to contact the exposed junction region; (f) forming a second interlayer insulating film on the etch stop layer on which the first metal wiring is formed; (g) forming a via hole by etching the second interlayer insulating layer to expose a predetermined portion of the first metal wire; (h) forming a second metal wiring on the second interlayer insulating film to be in contact with the exposed first metal wiring; (i) selectively removing the second interlayer insulating film; (j) filling an insulating film having a low dielectric constant in a portion where the second interlayer insulating film is removed, wherein the dielectric constant of the insulating film having the low dielectric constant is 2 to 4.
본 발명에 의하면, 실리콘 산화막 계열의 층간 절연막을 사이에 두고 다층 금속 배선을 형성한 다음, 식각 용액에 의하여 층간 절연막을 제거하고, 제거된 부분에 저유전 상수를 지닌 막을 충진시키므로써, 층간 절연막의 캐패시턴스를 낮추게 된다.According to the present invention, a multi-layer metal wiring is formed with a silicon oxide interlayer insulating film therebetween, the interlayer insulating film is removed by an etching solution, and a film having a low dielectric constant is filled in the removed portion. The capacitance will be lowered.
[실시예]EXAMPLE
이하 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하도록 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
첨부한 도면 도 3a 내지 3e는 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 각 제조 공정별 단면도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 단면도이다.3A through 3E are cross-sectional views of respective manufacturing processes for describing a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, and FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating another embodiment of the present invention.
먼저, 도 3a를 참조하여, 소자 분리막(12)가 형성되어, 소자 영역과 필드 영역이 분리된 반도체 기판(11)의 소자 영역에 게이트(13a) 및 접합 영역(13b, 13c)으로 구성된 트랜지스터(13)가 공지의 방식으로 형성된다. 그리고 나서, 반도체 기판(11) 결과물 상에는 제 1 층간 절연막(14) 예를들어, 실리콘 산화막 계열의 절연막이 소정 두께로 증착된다. 그후, 제 1 층간 절연막(14)은 표면이 평탄화되도록 화학적 기계적 연마 공정이 진행된다. 이어 제 1 층간 절연막(14)상에는 제 1 층간 절연막(14)과 식각 속도가 상이한 절연막 예를들어, 실리콘 질화막(15) 또는 보론 질화막이 소정 두께로 증착된다.First, referring to FIG. 3A, a transistor including a
그후, 도 3b에 도시된 바와 같이, 실리콘 질화막(15) 및 제 1 층간 절연막(14)은 상기 접합 영역(13b, 13c)의 소정 부분이 노출되도록 식각되어, 콘택홀(도시되지 않음)이 형성된다. 그후, 콘택홀내에는 공지의 금속 매립방식에 의하여 제 1 플러그(16)이 형성된다. 이때, 제 1 플러그(16)로는 텅스텐 금속막이 이용된다. 이어, 실리콘 질화막(15) 상부에는 제 1 플러그(16)와 콘택되도록 제 1 금속 배선(17)이 금속 증착 및 패터닝 공정에 의하여 형성된다. 여기서, 상기 제 1 금속 배선(17)으로는 전도특성이 우수한 Al 또는 Cu 금속이 이용된다.Thereafter, as shown in FIG. 3B, the
그리고나서, 도 3c에서와 같이, 반도체 기판(11) 결과물 상부에는 제 2 층간 절연막(18) 예르들어, 플라즈마 인가 티이오에스(PETEOS) 산화막이 소정 두께로 증착되고, 표면이 평탄화되도록 화학적 기계적 연마된다. 이어서, 제 2 층간 절연막(18)은 하부의 제 1 금속 배선(17)의 소정 부분이 노출되도록 식각되어, 비어홀이 형성된다. 그후, 비어홀내에는 상기 제 1 플러그(16) 형성 방식과 동일하게 제 2 플러그(19)가 형성된다. 본 도면에서는 2층의 금속 배선까지를 설명하였지만, 상기와 같이 층간 절연막 증착공정, 비어홀 형성공정, 플러그 형성 공정 및 금속 배선 형성공정으로 반복 실시하여, 다층 금속 배선막을 형성할 수 있다.Then, as shown in FIG. 3C, a second interlayer
이와같이 다층 금속 배선이 형성된 시편(도시되지 않음)은 산화막 식각액 예를들어, BOE(buffuerd oxide etchant)용액에 담그어져, 도 3d에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 층간 절연막(18)이 선택적으로 제거된다. 이때, 2층이상의 금속 배선 구조라면, 제 2, 제3, 제 4... 등 층간 절연막이 제거되어진다.The specimen (not shown) in which the multilayer metal wiring is formed is immersed in an oxide etching solution, for example, a buffered oxide etchant (BOE) solution, and as illustrated in FIG. 3D, the second
여기서, 상기 제 1 층간 절연막(15)은 상부에 식각속도가 매우 늦은 실리콘질화막(15)으로 덮혀있기 때문에 상기 BOE 용액에 의하여 제거되지 않고, 하부 트랜지스터를 보호하게 된다.In this case, since the first
그리고나서, 도 3e에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 층간 절연막이 제거된 시편에는 저유전 상수 (ε=2 내지 4)를 지닌 절연막(21) 예를 들어, 폴리이미드(polyimid), 파릴렌(parylene), 테프론(teflon)과 같은 수지막이 형성된다. 여기서, 수지막(21)은 시편상에 수지 물질이 스핀 코팅되어 형성되거나, 또는 수지 물질에 담그어져 형성된다. 그후, 소정의 건조 또는 경화 공정을 실시하여, 고형화한다.Then, as illustrated in FIG. 3E, the specimen in which the second interlayer insulating film is removed may include an
이러한 방식에 의하여 형성된 수지막(21)은 상기 제 2 금속 배선(20)과 제 1 금속 배선(17) 사이를 충분히 매립시키게 되어, 층간 절연막의 캐패시턴스를 낮추게 된다. 또한, 트랜지스터(13)와 직접 접촉되는 부분의 제 1 층간 절연막(14)은 실리콘질화막(15)에 의하여 제거되지 않으므로, 트랜지스터의 전기적 특성에는 영향을 미치지 않게 된다.The
아울러, 모든 금속 배선 형성 공정이후, 층간 절연막을 제거하고, 제거된 부분에 저유전 상수를 지닌 절연막을 충진시킴으로써, 금속 배선에 영향을 미치지 않게 된다.In addition, after all the metal wiring forming processes, the interlayer insulating film is removed, and the insulating film having the low dielectric constant is filled in the removed portion, thereby not affecting the metal wiring.
또한, 상기 제 2 층간 절연막(18)을 제거하는 단계와, 저유전 상수를 지닌 절연막을 충진하는 단계 사이에, 금속 배선막의 비저항을 한층 더 낮추기 위하여, 도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 금속 배선(17, 20) 및 제 2 플러그(19) 표면에 비저항이 낮은 Al 또는 Cu 금속막(22)을 피복하여 실시할 수 있다.In addition, between the step of removing the second
또한, 상기 저유전 상수를 지닌 절연막(21)은 그것의 캐패시턴스를 더욱 낮추기 위하여, 충진 또는 경화 공정시 또는 가스를 주입하여, 절연막(21)내에 미세한 폼(foam)을 형성할 수 있다.In addition, the insulating
본 발명은 상기한 실시예에 한정되는 것만은 아니다.The present invention is not limited to the above embodiment.
본 실시예에서는 2층 금속 배선을 예를들어 설명하였지만, 3층, 4층과 같은 다층 금속 배선에도 동일하게 적용된다.In the present embodiment, the two-layer metal wiring has been described as an example, but the same applies to the multilayer metal wiring such as three and four layers.
또한, 본 실시예에서는 콘택홀 또는 비어홀 내부를 별도의 플러그 금속막으로 매립하여 형성하였지만, 금속 배선과 동시에 콘택홀 또는 비어홀을 매립하여 형성할 수 있다.In addition, in the present embodiment, the contact hole or the via hole is formed by filling a separate plug metal film. However, the contact hole or the via hole may be buried at the same time as the metal wiring.
이상에서 자세히 설명된 바와 같이, 본 발명에 의하면, 실리콘 산화막 계열의 층간 절연막을 사이에 두고 다층 금속 배선을 형성한 다음, 식각 용액에 의하여 층간 절연막을 제거하고, 제거된 부분에 저유전 상수를 지닌 막을 충진시키므로써, 층간 절연막의 캐패시턴스를 낮추게 된다.As described in detail above, according to the present invention, a multilayer metal wiring is formed with an interlayer insulating film of a silicon oxide layer interposed therebetween, the interlayer insulating film is removed by an etching solution, and the removed portion has a low dielectric constant. By filling the film, the capacitance of the interlayer insulating film is lowered.
따라서, 반도체 소자의 신호 지연 시간이 감소되어, 반도체 소자의 성능을 향상시키게 된다.Therefore, the signal delay time of the semiconductor device is reduced, thereby improving the performance of the semiconductor device.
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KR19990006162A (en) | 1999-01-25 |
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