KR100278995B1 - 반도체장치의 비어홀 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체장치의 비어홀 형성방법에 관한 것으로서, 특히, 반도체장치의 다층배선 형성시 낮은 유전상수값을 갖는 폴리머를 금속 배선층간의 층간절연막으로 사용하는 경우 층간절연막을 다층구조로 형성하여 상부절연막을 일차 식각한 다음 잔류한 상부 절연막을 식각마스크로 이용하여 하부 절연막을 이차 식각하므로서 비어홀을 형성하도록한 절연막을 식각마스크로 이용하는 반도체장치의 다층절연막을 제거하여 형성하는 비어홀 형성방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 반도체장치의 비어홀 형성방법은 절연층이 형성된 반도체기판의 절연층 위에 제 1 배선을 형성하는 단계와, 제 1 배선의 표면을 포함하는 절연층 위에 저유전률을 갖는 물질로 제 1 층간절연막을 형성하는 단계와, 제 1 층간절연막 위에 제 2 층간절연막을 형성하는 단계와, 제 1 배선의 상부와 대응하는 제 2 층간절연막의 소정부위를 제거하는 단계와, 잔류한 제 2 층간절연막을 식각마스크로 이용하여 식각마스크로 보호되지 않는 부위의 제 1 층간절연막을 제거하여 제 1 금속배선의 소정 부위를 노출시키는 단계를 포함하여 이루어진다.
Description
본 발명은 반도체장치의 비어홀 형성방법에 관한 것으로서, 특히, 반도체장치의 다층배선 형성시 낮은 유전상수값을 갖는 폴리머를 금속 배선층간의 층간절연막으로 사용하는 경우 층간절연막을 다층구조로 형성하여 상부절연막을 일차 식각한 다음 잔류한 상부 절연막을 식각마스크로 이용하여 하부 절연막을 이차 식각하므로서 비어홀을 형성하도록한 절연막을 식각마스크로 이용하는 반도체장치의 다층절연막을 제거하여 형성하는 비어홀 형성방법에 관한 것이다.
종래 기술에서 다층배선 구조에서 사용되는 층간 배선을 전기적으로 연결하기 위한 플러그를 형성하기 위하여 형성되는 비어콘택의 비어홀 형성방법은 하부 배선을 형성한 후 그 위에 층간절연막을 형성하고 소정 부분을 제거하므로서 이루어진다.
일반적으로 고집적 반도체소자에서 층간절연층의 구조는 그 층의 평탄화 및 유전율 감소를 위해 적층으로 이루어진다. 이러한 적층구조의 층간절연층 중 하부 배선층 바로 위에 위치하는 최하부 층간절연층은 전체 다층 배선의 정보처리 속도에 큰 영향을 주므로 낮은 유전상수값을 갖는 물질로 구성된다. 이는 유전상수가 크면 기생 캐패시턴스 또한 커져서 동작속도를 지연시키기 때문이다.
이와 같은 다층 구조의 층간절연층의 소정 부분을 포토레지스트를 사용하는 사진식각공정으로 제거하여 비어홀(via hole)을 형성한다. 즉, 노광 및 현상으로 형성된 포토레지스트패턴을 식각마스크로 이용하여 층간절연층을 식각하므로서 비어홀을 하부 금속배선 위에 형성하게 된다. 이때, 식각은 플라즈마를 이용한 건식식각 장치에서 진행되며, 사용되는 식각제로는 CF4를 주 식각기체로 사용하는 반응성이온식각법(reactive ion etching), 플라즈마 타입등의 기존의 플라즈마를 이용한 방식으로 진행되며 사용되는 기체로는 Ar, CF4, CHF3등의 혼합기체를 사용하여 왔고 일부 고밀도 플라즈마를 이용하는 경우에는 C2F6만을 첨가하여 진행한다.
도 1a 내지 도 1d는 종래 기술에 따른 반도체장치의 비어홀 형성방법을 도시하는 공정단면도이다.
도 1a를 참조하면, 반도체기판에 형성된 절연층으로서 산화막(10)위에 하부 금속층을 형성한 다음 포토리쏘그래피로 하부금속층을 패터닝하여 하부금속배선(11)을 형성한다.
하부금속배선(11)의 노출된 표면을 포함하는 산화막(10) 위에 산화막으로 제 1 층간절연막(12)을 증착하여 형성한 다음, 그 위에 제 2 층간절연막(13)으로 3.0이하의 저유전상수값을 갖는 유전체를 두껍게 증착하여 형성한다. 이때, 유전율이 2.7이하인 물질 특히 폴리머를 사용하는 경우에는 폴리머의 주성분이 C,H,O로 이루어지므로 종래 식각방법으로는 식각이 곤란하다.
그리고, 제 2 층간절연막(13)위에 일반적인 절연재료로 산화막을 CVD법으로 증착하여 제 3 층간절연막(14)을 얇게 증착하여 형성한다.
도 1b를 참조하면, 제 3 층간절연막(14) 위에 포토레지스트를 도포한 후 하부금속배선(11)의 상부에 대응하는 부위의 제 3 층간절연막(14)의 일부 표면을 노출시키는 포토레지스트패턴(15)을 노광 및 현상으로 형성한다.
도 1c를 참조하면, 포토레지스트패턴(15)을 식각마스크로 이용하는 플라즈마 식각을 제 3, 제 2, 제 1 층간절연막에 실시하여 잔류한 제 3, 제 2, 제 1 층간절연막(140,130,120)으로 두러싸인 비어홀을 형성한다. 이때, 식각제로는 불화탄소 라디칼을 포함하는 CF4를 주식각기체로 사용한다.
따라서, 비어홀의 형성으로 하부금속배선(11)의 일부 표면이 노출되었다.
만약, 제 1 층간절연막을 형성하지 않고 하부금속배선 위에 직접 저유전상수값을 가진 폴리머를 증착하게 되면 불화탄소 라디칼을 포함하는 식각제로는 식각이 곤란하다.
도 1d를 참조하면, 포토레지스트패턴을 애슁(ashing) 처리하여 제거한다. 이때, 애슁은 산소 플라즈마를 이용하여 진행하는데 폴리머로 이루어진 제 2 층간절연막(131)의 노출된 측면이 수축(shrinkage)반응하여 비어홀 측벽이 활처럼 휘어진 형태의 단면 프로파일을 갖게 된다.
그러나, 상술한 종래 기술에 따른 비어홀 형성방법은 종래의 식각방법으로는 유전상수값이 3.0이하인 물질을 식각하기 곤란하고, 포토레지스트패턴 제거시 산소 플라즈마와 저유전물질이 반응하여 비어홀의 형태에 스트레스를 주므로 저유전율의 층간절연막을 사용하기 어려워 전체배선의 정보처리 속도를 개선시키기 곤란한 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 반도체장치의 다층배선 형성시 낮은 유전상수값을 갖는 폴리머를 금속 배선층간의 층간절연막으로 사용하는 경우 층간절연막을 다층구조로 형성하여 상부절연막을 일차 식각한 다음 잔류한 상부 절연막을 식각마스크로 이용하여 하부 절연막을 이차 식각하므로서 비어홀을 형성하도록한 절연막을 식각마스크로 이용하는 반도체장치의 다층절연막을 제거하여 형성하는 비어홀 형성방법을 제공하는데 있다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체장치의 비어홀 형성방법은 절연층이 형성된 반도체기판의 절연층 위에 제 1 배선을 형성하는 단계와, 제 1 배선의 표면을 포함하는 절연층 위에 저유전률을 갖는 물질로 제 1 층간절연막을 형성하는 단계와, 제 1 층간절연막 위에 제 2 층간절연막을 형성하는 단계와, 제 1 배선의 상부와 대응하는 제 2 층간절연막의 소정부위를 제거하는 단계와, 잔류한 제 2 층간절연막을 식각마스크로 이용하여 식각마스크로 보호되지 않는 부위의 제 1 층간절연막을 제거하여 제 1 금속배선의 소정 부위를 노출시키는 단계를 포함하여 이루어진다.
도 1a 내지 도 1d는 종래 기술에 따른 반도체장치의 비어홀 형성방법을 도시하는 공정단면도
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 반도체장치의 비어홀 형성방법을 도시하는 공정단면도
본 발명의 다층배선 연결용 비어홀을 형성하는 방법은 하부공정이 진행된 절연막 위에 하부 금속배선을 형성하고 그 위에 층간절연막을 두껍게 증착한다. 층간절연막은 평탄화를 확보하고 유전율의 감소를 위해 다층구조의 층간절연막을 형성한다.
특히, 하부 금속배선 위에 형성되는제 1 층간절연막이 전체 다층배선의 정보처리 속도를 결정하는데 큰 영향을 주므로 낮은 유전률을 갖는 재료로 형성한다. 유전율이 2.7 이하인 폴리머와 같은 물질을 제 1 층간절연막으로 형성하게 되는 경우 그 주요성분이 C, H, O와 같은 원소로 이루어진다. 그리고, 제 1 층간절연막 위에 종래기술에서 사용되는 산화막 등으로 제 2 층간절연막을 형성하게 된다.
그다음, 사진식각공정을 제 1, 제 2 층간절연막에 실시하여 금속배선간에 전기적 연결을 필요로 하는 부위에 비어 홀을 형성한다. 이때, 노광 및 현상으로 형성된 포토레지스트패턴을 제 1 식각마스크로 이용하여 제 2 층간절연막을 플라즈마를 이용하는 식각장치에서 제거한 후 포토레지스트패턴을 제거한다. 제 2 층간절연막 식각의 조건은 종래의 불화탄소 계열의 식각제를 사용하는데, 따라서 제 1 층간절연막은 식각되지 않고 식각정지막으로 작용하여 제 1 층간절연층의 일부 표면을 노출시킨 상태에서 식각작용이 정지하게 된다.
그리고,패터닝된 제 2 층간절연막을 다시 식각마스크로 이용하여 그 하부에 있는 제 1 층간절연막을 식각하여 비어홀을 완성하게된다. 이때, 식각조건은 플라즈마 식각장치에서 O2와Ar을 또는 O2와 N2를 주요 식각제로 사용하고 소량의 불화탄소 기체를 첨가하여 사용할 수 있다. 기체 유량은 O2의 경우 15-50 sccm, Ar과 N2는 20-60 sccm을 사용하고, 경우에 따라 소량 첨가되는 불화탄소의 경우 0-10 sccm의 범위로하여 사용한다. 제 1 층간절연막 식각시 마스크로 사용되는 제 2 층간절연막의 형성 두께는 식각선태비를 고려하여 결정하며, 전체 유전율을 감소시키는 측면에서 500-3000Å 수준에서 가능하면 얇게 형성하도록 적정화한다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 반도체장치의 비어홀 형성방법을 도시하는 공정단면도이다.
도 2a를 참조하면, 반도체기판인 실리콘기판에 형성된 절연층으로서 산화막(20)위에 하부 금속층을 형성한 다음 포토리쏘그래피로 하부금속층을 패터닝하여 하부금속배선(21)을 형성한다.
하부금속배선(21)의 노출된 표면을 포함하는 산화막(20) 위에 제 1 층간절연막(22)으로 3.0이하의 저유전상수값을 갖는 유전체를 두껍게 증착하여 형성한다. 이때, 유전율이 2.7이하인 물질 특히 폴리머를 사용하는 경우에는 폴리머의 주성분이 C,H,O로 이루어지므로 종래 식각방법으로는 식각이 곤란하다.
그리고, 제 1 층간절연막(22)위에 일반적인 절연재료로 산화막을 CVD법으로 증착하여 제 2 층간절연막(23)을 얇게 증착하여 형성한다.
도 2b를 참조하면, 제 2 층간절연막(23) 위에 포토레지스트를 도포한 후 하부금속배선(12)의 상부에 대응하는 부위의 제 2 층간절연막의 일부 표면을 노출시키는 포토레지스트패턴(24)을 노광 및 현상으로 형성한다.
포토레지스트패턴(24)을 제 1 식각마스크로 이용하여 제 2 층간절연막을 플라즈마를 이용하는 식각장치에서 제거한. 이때, 제 2 층간절연막(230) 식각의 조건은 종래의 불화탄소 계열의 식각제를 사용하는데, 따라서 폴리머로 형성된 제 1 층간절연막(22)은 식각되지 않고 식각정지막으로 작용하여 제 1 층간절연막(22)의 일부 표면을 노출시킨 상태에서 식각작용이 정지하게 된다.
도 2c를 참조하면, 포토레지스트패턴을 산소 플라즈마를 이용하는 애슁처리로 제거한다. 포토레지스트패턴을 현 단계에서 제거하는 이유는 이후 제 1 층간절연막 식각후 제거하게 되면 산소 플라즈마가 폴리머와 반응하여 비어홀의 특성을 열화시키기 때문이다.
도 2d를 참조하면, 패터닝된 제 2 층간절연막(23)을 다시 식각마스크로 이용하여 그 하부에 있는 제 1 층간절연막(221)을 식각하여 비어홀을 완성하게된다. 이때, 식각조건은 플라즈마 식각장치에서 O2와 Ar을 또는 O2와 N2를 주요 식각제로 사용하고 소량의 불화탄소 기체를 첨가하여 사용할 수 있다. 기체 유량은 O2의 경우 15-50 sccm, Ar과 N2는 20-60 sccm을 사용하고, 경우에 따라 소량 첨가되는 불화탄소의 경우 0-10 sccm의 범위로하여 사용한다. 제 1 층간절연막 식각시 마스크로 사용되는 제 2 층간절연막의 형성 두께는 식각선태비를 고려하여 결정하며, 전체 유전율을 감소시키는 측면에서 500-3000Å 수준에서 가능하면 얇게 형성하도록 적정화한다.
이후, 도시되지는 않았으마 텅스텐 등의 도전물질을 사용하여 비어홀을 충전시키는 플러그를 형성한 다음, 플러그 표면을 포함하는 제 2 층간절연막 위에 금속층을 형성한 다음 패터닝하여 상부 금속배선을 형성하므로서 다층배선간의 비어 콘택을 완성한다.
따라서, 본 발명은 종래 식각기술로 식각하기 곤란한 유전율 3.0 이하의 재료로 형성한 절연막을 식각하기 용이하고, 제 2 층간절연막 식각 후 포토레지스트패턴을 제거하고 잔류한 제 2 층간절연막을 식각마스크로 이용하므로서 비어홀의 형태 및 특성을 보존하며, 또한, 층간절연막의 대부분을 저유전율을 갖는 물질로 형성하므로 전체 다층배선의 정보처리 속도를 증가시키는 장점이 있다.
Claims (8)
- 절연층이 형성된 반도체기판의 상기 절연층 위에 제 1 배선을 형성하는 단계와,상기 제 1 배선의 표면을 포함하는 상기 절연층 위에 저유전률을 갖는 물질로 제 1 층간절연막을 형성하는 단계와,상기 제 1 층간절연막 위에 제 2 층간절연막을 형성하는 단계와,상기 제 1 배선의 상부와 대응하는 상기 제 2 층간절연막의 소정부위를 제거하는 단계와,잔류한 상기 제 2 층간절연막을 식각마스크로 이용하여 상기 식각마스크로 보호되지 않는 부위의 상기 제 1 층간절연막을 제거하여 상기 제 1 금속배선의 소정 부위를 노출시키는 단계로 이루어진 반도체장치의 비어홀 형성방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 제 1 층간절연막은 유전률 3.0 이하의 물질로 형성하는 것이 특징인 반도체장치의 비어홀 형성방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 제 1 층간절연막은 유전률 2.7 이하의 폴리머로 형성하는 것이 특징인 반도체장치의 비어홀 형성방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 제 1 배선의 상부와 대응하는 상기 제 2 층간절연막의 소정부위를 제거하는 단계는,상기 제 2 층간절연막 위에 상기 제 2 층간절연막의 소정부위를 노출시키는 포토레지스트패턴을 형성하는 단계와,상기 포토레지스트패턴으로 보호되지 않는 부위의 상기 제 2 층간절연막을 제거하는 단계와,상기 포토레지스트패턴을 제거하는 단계를 더 포함하여 이루어진 것이 특징인 반도체장치의 비어홀 형성방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 제 2 층간절연막의 형성두께는 상기 제 1 층간절연막과의 식각선택비와 전체 유전률의 감소를 고려하여 결정하는 것이 특징인 반도체장치의 비어홀 형성방법.
- 청구항 5에 있어서, 상기 제 2 층간절연막의 형성두께는 500-3000Å 범위내에서 형성하는 것이 특징인 반도체장치의 비어홀 형성방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 제 1 층간절연막을 식각하는 단계는,플라즈마 식각장치에서 실시하고 O2와 Ar을 또는 O2와 N2를 주요 식각제로 사용하고 소량의 불화탄소 기체를 첨가하여 사용할 수 있으며 상기 식각제 기체 유량은 O2의 경우 15-50 sccm, Ar과 N2는 20-60 sccm을 사용하고, 경우에 따라 소량 첨가되는 불화탄소의 경우 0-10 sccm의 범위로하여 사용하는 것이 특징인 반도체장치의 비어홀 형성방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 제 1 금속배선의 소정 부위를 노출시키는 단계 이후,상기 제 1 층간절여막과 상기 제 2 층간절연막이 제거된 부위에 도전성 플러그를 형성하는 단계와,상기 플러그 표면을 포함하는 상기 제 2 층간절연층위에 상부 배선을 형성하는 단계를 더 포함하여 이루어진 것이 특징인 반도체장치의 비어홀 형성방법.
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