KR100236052B1 - 반도체장치의 다층배선 형성방법 - Google Patents

반도체장치의 다층배선 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체장치의 다층배선 형성방법을 제공하기 위한 것으로서, 이를 위해서는 반도체기판상에 복수개의 1차 배선라인들을 형성하고 상기 1차 배선라인들을 포함한 반도체기판상에 제1절연층을 형성하는 공정과, 상기 제1절연층의 측벽을 제외한 전면에 제2절연층을 선택적으로 형성하는 공정과, 상기 제2절연층을 포함한 반도체기판 전면에 유기성분의 SOG층을 형성하고 상기 제2절연층의 소정깊이까지 식각되도록 평탄화하는 공정과, 노출된 제2절연층을 포함한 기판전면에 제3절연층을 형성하고 상기 1차 배선라인이 노출되도록 제3절연층과 SOG층을 선택적으로 제거하여 접속홀을 형성하는 공정과, 상기 접속홀을 포함한 반도체기판 전면에 2차 배선라인을 형성하는 공정을 포함하여 이루어져 공정을 간략화하고 평탄성을 향상시킨다.

Description

반도체장치의 다층배선 형성방법
본 발명은 반도체장치의 배선에 관한 것으로 특히, 평탄성이 우수한 반도체장치의 다층배선 형성방법에 관한 것이다.
일반적으로 알루미늄과 그 합금박막은 전기 전도도가 높고 건식식각에 의한 패턴 형성이 우수하다.
그리고 실리콘산화막과의 접착성이 우수한 동시에 비교적 가격이 저렴하여 반도체장치의 배선재료로서 널리 사용되어 왔다.
그러나 집적회로의 집적도가 증가함에 따라 소자의 크기가 감소하고 배선이 미세화 다층화 되므로 토폴로지(topology)를 갖는 부분이나 콘택홀 또는 비아홀등의 내부에서 단차피복성(stepcoverage) 이 중요한 문제로 대두되었다.
또한 다층배선에 있어서는 표면의 단차가 심해져서 배선의 단선, 스트레스마이그레션(stressmigration) 일렉트로마이그레션(electromigration) 등의 문제점을 야기 시킨다.
이에따라 반도체장치의 평탄화 방법으로서 회전도포법이 제안되었다.
이 회전도포법은 SOG(Spin on Glass)를 도포하고 이를 에치백하여 평탄화시키는 방법이다.
미국 등록특허 5,245,213(Sep.14,1993)호 에서는 유기계의 SOG를 형성하고 사진 식각공정을 통해 SOG표면의 단차가 높은 부분의 선택적으로 제거함으로서 평탄화를 이루는 기술이 제안되었다.
이하, 종래 반도체장치의 다층배선 형성방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도1a 내지 1f는 종래 반도체 장치의 다층배선 형성방법을 나타낸 공정단면도이다.
도1a에 도시한 바와같이 반도체기만(10)상에 서로 일정간격을 두고 복수개의 배선라인(11)들을 형성한다.
그리고 상기 배선라인(11)들을 포함한 반도체기판(10)전면에 제1절연막(12)을 증착한다.
제1절연막(12)상에 회전도포법을 이용하여 SOG(13)을 형성한다.
이어, 도1b에 도시한 바와같이 SOG층(13)상에 포토레지스트(14)를 도포한다.
그리고 상기 배선라인(11)의 단차로 인하여 높게 형성된 상기 SOG층(13)을 선택적으로 제거하기 위하여 상기 포토레지스트(14)를 패터닝한다
도1c에 도시한 바와같이 상기 패터닝된 포토레지스트(14)를 마스크로 이용하여 배선라인(11)의 단차로 인하여 높게 형성된 SOG층(13)을 선택적으로 제거한다.
이때 상기 SOG층(13)을 제거할 때 그 하부의 제1절연막(12)이 소정깊이까지 식각되도록 한다.
이어서, 도1d에 도시한 바와같이 패터닝된 포토레지스트(14)를 제거한 후 도1e에 도시한 바와같이 노출된 SOG층(13)을 에치백하여 평탄화시킨다.
여기서 상기 SOG층(13)을 에치백할 경우 상기 제1절연막(12)의 일부도 함께 제거되는데 배선라인(11)에 의해 단차를 갖고 형성된 제1절연막(12)중 낮은 부위에 있는 SOG층(13)은 그대로 남게된다.
그리고 도1f에 도시한 바와같이 평탄화된 제1절연막(12) 및 SOG층(13)상에 제 2 절연막(15)을 증착하여 평탄성을 향상시키고자 하였다.
그러나 이와같은 종래 반도체장치의 다층배선 형성방법은 다음과 같은 문제점이 있었다.
첫째, 평탄성을 향상시키기 위해 사진 및 식각공정이 필요로 하므로 공정이 복잡하다.
둘째, 평탄성을 향상시키기 위해 SOG층 및 절연막의 일부를 제거함에 있어 사진작업의 공정 여유도가 없어 오히려 평탄성을 악화시킨다.
본 발명은 이와같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서 평탄화를 위한 공정을 간략화하고 우수한 평탄도를 갖는 반도체장치의 다층배선 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도1a 내지 1f는 종래 반도체장치의 다층배선 형성방법을 나타낸 공정단면도.
도2a 내지 2f는 본 발명의 반도체장치의 다층배선 형성방법을 나타낸 공정단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
21 : 반도체기판 22 : 1차 배선라인
23 : 제 1 절연층 23a : 제 2 절연층
24 : SOG층 25 : 제 3 절연층
26 : 2차 배선라인
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체장치의 다층배선 형성방법은 반도체기판상에 복수개의 1차 배선라인들을 형성하고 상기 1차 배선라인들을 포함한 반도체기판상에 제1절연층을 형성하는 공정과, 상기 제1절연층의 측벽을 제외한 전면에 제2절연층을 선택적으로 형성하는 공정과 상기 제2절연층을 포함한 반도체기판 전면에 유기성분의 SOG층을 형성하고 상기 제2절연층의 소정깊이까지 식각되도록 평탄화하는 공정과, 노출된 제2절연층을 포함한 기판전면에 제3절연층을 형성하고 상기1차 배선라인이 노출되도록 제3절연층과 SOG층을 선택적으로 제거하여 접속홀을 형성하는 공정과, 상기 접속홀을 포함한 반도체기판 전면에 2차 배선라인을 형성하는 공정을 포함하여 이루어진다.
이하, 본 발명의 반도체장치의 다층배선 형성방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도2a 내지 2f는 본 발명에 따른 반도체장치의 다층배선 형성방법을 나타낸공정 단면도이다.
도2a에 도시한 바와같이 반도체기판(21)상에 서로 일정간격을 갖는 복수개의 1차 배선라인(22)들을 형성한다.
그리고 1차 배선라인(22)들을 포함한 반도체기판(21)전면에 제1절연층(23)을 형성한다.
이때 상기 제1절연층(23)은 ECR(Electro Cycro Resonance)을 이용한 화학기상증착법(CVD)이나 PECVD(Plasma Enhanced CVD), 상압 CVD법 또는 저압 CVD법등을 이용하여 형성하고 그 물질은 산화물(Oxide)이다.
그리고 상기 제1절연층(23)의 형성온도는 150∼450°C로서 TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)나 FTEOS, SiH4/O2등을 이용하여 증착한다.
또한 상기 제1절연층(23)의 두께는 500∼5000Å으로 한다.
이어 도2b에 도시한 바와같이 상기 제1절연층(23)을 포함한 반도체기판(21)전면에 N2가스를 이용한 이온주입 또는 N2/NH3가스를 이용한 고밀도 플라즈마(HDP: High Density Plasma)에 바이어스(Bias)방식을 추가하여 상기 제1절연층(23)의 상부가 옥시나이트라이드 또는 나이트라이드화 되어 제2절연층(23a)이 형성된다.
따라서 상기 제1절연층(23)과 제2절연층(23a)의 두께를 합한 값은 상기 초기 제1절연층(23)의 두께와 동일하다.
이때 상기 제1절연층(23)의 측벽에는 이온주입 또는 바이어스 방식에 의하여 공정이 이루어지므로 N2또는 N2/NH3가스가 존재하지 않는다.
여기서 상기 가스들 대신에 PH3가스를 이옹한 이온주입 또는 고밀도 플라즈마에 바이어스 방식을 추가하는 공정을 실시하면 상기 옥시나이트라이드 또는 나이트라이드 대신에 PSG(Phosphorus)를 형성할 수 있다.
그리고 상기 PSG 대신에 BPSG, 또는 BSG를 형성하는 것도 가능하다.
이어, 도2c에 도시한 바와같이 상기 제2절연층(23a)을 포함한 반도체기판(21)전면에 회전도포법을 이용하여 유기성분의 SOG(Spin on glass)층(24)을 형성한다.
이어, 도2d에 도시한 바와같이 SOG층(24)이 형성된 반도체기판(21)전면을 에치백하여 평탄화시킨다.
즉, CF4,CHF3등의 가스를 이용하여 에치백하면 상기 SOG층(24)의 상부부터제거되기 시작하며 시간이 경과함에 따라 상기 제2절연층(23a)의 높은 부위가 노출된다.
이에 계속적으로 식각이 이루어지며, 상기 제2절연층(23a)의 식각속도가 상기 SOG층(24)의 식각속도 보다 크므로 상기 제1절연층(23)의 표면이 노출되기 이전에 평탄화가 이루어진다.
상기 평탄화과정을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
즉, SOG층(24)을 전면 에치백공정으로 제거하다 보면 제2절연층(23a)의 상부가 노출된다.
이때 상기 제2절연층(23a)은 옥시나이트라이드 또는 나이트라이트이므로 상기 제2절연층(23a)이 계속하여 식각되면 상기 식각에 따라 발생되는 옥시젼(oxygen)의 양은 매우 소량이다.
따라서 식각공정에 따라 발생되는 옥시젼은 "C"를 포함하고 있는 SOG층(24)의 식각특성에는 아무런 영향을 주지 않는다.
결과적으로 SOG층(24)과 나이트라이드 간의 식각 선택비가 변하지 않고 그대로 유지하므로서 용이하게 평탄화를 이룰 수 있다.
여기서 상기 제2절연층(23a)이 옥시나이트라이드 또는 나이트라이드가 아니고 PSG일 경우의 펑탄화과정은 다음과 같다.
즉, SOG층(24)이 식각되어짐에 따라 제 2절연층(23a)의 상부가 노출된다.
이때 상기 PSG는 통상의 산화막에 비해 식각속도가 크다.
따라서 산화막과 SOG층(24)에 비해 PSG와 SOG층(24)의 경우가 식각 선택비가 크므로 쉽게 에치백이 이루어져 펑탄화가 용이해진다.
다음, 도2e에 도시한 바와같이 노출된 제2절연층(23a) 및 SOG층(24)상에 제3절연층(25)을 형성한다.
이때 상기 제3절연층(25)은 ECR(Electro Cycro Resonance)을 이용한 화학기상증착법(CVD)이나 PECVD(Plasma Enhanced CVD), 상압 CVD법 또는 저압 CVD법등을 이용하여 형성하고 그 물질은 산화물(Oxide)이다.
또한 상기 제3절연층(25)은 150∼450°C의 온도에서 TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)나 FTEOS, SiH4/O2등을 이용하여 형성한다.
그리고 그 증착두께는 1000∼5000Å이다.
그리고 상기 제3절연층(25)상에 포토레지스트(도면에 도시하지 않음)를 도포한 후 상기 1차 배선라인(22)의 표면이 노출되도록 상기 제3절연층(25)과 제2절연층(23a)을 선택적으로 제거하여 접속홀을 형성한다.
이어, 도2f에 도시한 바와같이 상기 접속홀을 포함한 반도체기판(21)전면에 2차 배선라인(26)을 형성한다.
여기서 상기 제3연층(25)을 형성하지 않고 상기 제2절연층(23a)만을 사진식각 공정으로 패터닝하여 접속홀을 형성한 후 2차 배선라인(26)을 형성하는 공정이 적용가능하다.
상술한 바와같이 본 발명의 반도체장치의 다층배선 형성방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 유가 SOG를 전면 에치백에 의한 평탄화시 하층의 높은 부위에 함유되어 있는 물질로 인하여 하층의 높은 부위가 보다 빠르게 되므로 쉽게 평탄화가 이루어진다.
둘째, SOG를 전면 에치백에 의한 평탄화시 하층의 높은 부위에 함유되어 있는 물질로 인하여 하층의 높은 부의가 식각이 보다 빠르게 되므로 쉽게 평탄화가 이루어진다.
셋째, 동일배선에서 그의 측벽과 상부가 서로 다른 물질을 포함하고 있으므로 절연막의 유전율에 직접적인 영향을 미치지않아 유전율이 낮은 절연막을 형성할수 있다.
넷째, 식각정지층을 별도로 형성할 필요가 없다.

Claims (15)

  1. 반도체 기판상에 복수개의 1차 배선라인들을 형성하고 상기 1차 배선라인들을 포함한 반도체 기판상에 제1절연층을 형성하는 공정과, 상기 기판 전면에 질소 이온주입을 실시하여 상기 제1절연층의 측면부를 제외한 그 상부면에 제2절연층인 질화막을 형성하는 공정과, 상기 질화막을 포함한 기판 전면에 유기성분의 SOG층을 형성한 후 평탄화하는 공정과, 평탄화된 SOG층을 포함한 기판 전면에 제3절연층을 형성하고 상기 1차 배선라인이 노출되도록 제3절연층, 제2절연층, 그리고 제1절연층을 제거하여 접속홀을 형성하는 공정과, 상기 접속홀을 통해 상기 1차 배선라인과 연결되는 2차 배선라인을 형성하는 공정을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 반도체장치의 다층배선 형성방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2절연층은 옥시나이트라이드(Oxinitride) 또는 PSG를 포하하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 다층배선 형성방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2절연층은 N2/NH3가스를 이용한 고밀도 플라즈마에 바이어스(Bias)를 추가하여 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 다층배선 형성방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2절연층은 PH3가스를 이용한 이온주입방식 또는 고밀도 플라즈마에 바이어스를 추가하여 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 다층배선 형성방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1절연층으로써 산화막을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 다층배선 형성방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제3절연층의 물질은 SOG(Spin On Glass)인 것을 특징으로 하는 반도체장치의 다층배선 형성방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1절연층의 측벽에는 질소가스가 포함되지 않는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 다층배선 형성방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 평탄화는 상기 제3절연층을 에치백하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 다층배선 형성방법.
  9. 제1항에 잇어서, 상기 제1절연층의 두께는 500~5000Å으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 다층배선 형성방법.
  10. 제1항에 있어서, 제4절연층의 두께는 1000∼5000A으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 다층배선 형성방법.
  11. 제2항에 있어서, 상기 PSG대신에 BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass), BSG(Boron Silicate Glass)중 어느 하나를 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 다층배선 형성방법.
  12. 제8항에 있어서, 에치백시 사용되는 가스는 CF4또는 CHF3가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 다층배선 형성방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제3절연층을 형성하지 않고 이후의 공정을 수행하는 것을 포함함을 특징으로 하는 반도체장치의 다층배선 형성방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제1절연층과 제2절연층의 두께를 합한 값은 초기 제1절연층의 두께와 동일한 것을 특징으로 하는 반도체장치의 다층배선 형성방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 제1절연층과 제3절연층은 ECR(Electro Cycro Resonance)을 이용한 화학기상증착법(CVD)이나 PECVD(Plasma Enhanced CVD)또는 상압 CVD법 또는 저압 CVD을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 다층배선 형성방법.
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