KR100283109B1 - 반도체소자의 금속배선 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것으로, 층간 절연막에 비아 콘택홀 및 트렌치를 갖는 듀얼 다마신(dual damascene) 패턴을 형성한 후, 선택적 증착시 금속 시드(seed) 역할을 하면서 확산 방지 역할을 수행할 수 있는 확산 방지막을 듀얼 다마신 패턴을 포함한 층간 절연막 상에 형성하고, 화학기계적 연마 공정 및 스페이서 식각 공정으로 콘택홀의 측벽 및 트렌치의 측벽에 확산 방지막을 남기고, 남겨진 확산 방지막을 금속 시드층으로 하여 금속을 선택적 증착법으로 듀얼 다마신 패턴 내에 증착하고, 이후 배선 보호층을 형성하므로써, 비아 콘택홀과 트렌치를 동시에 매립 가능하여 다마신 공정을 용이하게 실시할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것으로, 층간 절연막에 비아 콘택홀 및 트렌치를 갖는 듀얼 다마신(dual damascene) 패턴에 선택적 증착시 금속 시드 역할을 하면서 확산 방지 역할을 수행할 수 있는 확산 방지막을 형성하고, 금속을 선택적 증착법으로 듀얼 다마신 패턴 내에 증착하므로써, 비아 콘택홀과 트렌치를 동시에 매립 가능하여 다마신 공정을 용이하게 실시할 수 있는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 화학기상증착(CVD)법중 선택적 증착 공정은 실리콘이나 금속층 위에서만 증착이 되게 하는 공정인데, 이들 증착은 콘택 하부에서부터 성장을 시작하여 위로 성장하게 된다. 그러므로 여러 가지 콘택 단차비를 갖는 경우에는 높은 단차비의 콘택에서의 충분한 성장을 위해서 낮은 단차비의 콘택에서의 과도 성장을 방비할 방법이 없다. 즉, 모든 콘택에서의 매립을 위해서는 공정의 특성상 사용할 수 없게 되는 문제가 있다. 또한, 일반적인 다마신 공정을 위해서 절연막에 콘택과 배선이 들어갈 곳을 미리 만들어 놓은 후에 금속을 증착하고, 이후 화학기계적 연마(CMP)법을 이용하여 필요하지 않는 부위를 제거한다. 이때, 제거되는 양이 남은 부위의 양보다 훨씬 많고 제거된 부위에서 발생하는 환경 문제를 해결하기 위해서는 많은 비용을 요하게 된다.
따라서, 본 발명은 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것으로, 층간 절연막에 비아 콘택홀 및 트렌치를 갖는 듀얼 다마신 패턴에 선택적 증착시 금속 시드 역할을 하면서 확산 방지 역할을 수행할 수 있는 확산 방지막을 형성하고, 금속을 선택적 증착법으로 듀얼 다마신 패턴 내에 증착하므로써, 비아 콘택홀과 트렌치를 동시에 매립 가능하여 다마신 공정을 용이하게 실시할 수 있는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법은 비아 콘택홀과 트렌치로 이루어진 듀얼 다마신 패턴을 형성하는 단계; 상기 듀얼 다마신 패턴을 포함한 층간 절연막 상에 확산 방지막을 형성하는 단계; 화학기계적 연마 공정 및 스페이서 식각 공정을 순차적으로 실시하여 상기 확산 방지막을 식각하고, 이로 인하여 상기 콘택홀의 측벽 및 트렌치의 측벽에 확산 방지막이 남는 단계; 및 상기 남겨진 확산 방지막 및 상기 콘택홀 바닥에 노출된 도전층을 금속 시드층으로 하여 금속을 선택적 증착법으로 듀얼 다마신 패턴 내에 성장시키고, 이로 인하여 상기 듀얼 다마신 패턴 내에 금속층이 매립되며, 이후 배선 보호층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
11: 반도체 기판 12: 도전층
13: 층간 절연막 14: 듀얼 다마신 패턴
14A: 비아 콘택홀 14B: 트렌치
15: 확산 방지막 16: 금속 배선
16A: 금속층 17: 배선 보호막
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 반도체 기판(11)에 도전층(12)을 형성하고, 도전층(12) 상에 층간 절연막(13)을 형성한다. 듀얼 다마신 방법으로 층간 절연막(13)의 일부분을 식각 하여 도전층(12)이 노출되는 비아 콘택홀(via contact hole; 14A)과 트렌치(trench; 14B)를 동시에 형성하여 듀얼 다마신 패턴(14)을 형성한다. 듀얼 다마신 패턴(14)을 포함한 층간 절연막(13) 상에 확산 방지막(15)을 형성한다.
상기에서, 도전층(12)은 불순물 이온 주입으로 반도체 기판(11)에 형성되는 접합부이거나, 전극 또는 하부 금속 배선 등 본 발명에 의해 형성될 금속 배선과 연결될 소자의 모든 구성 요소가 포함된다. 확산 방지막(15)은 후에 진행될 선택적 증착 공정시 금속 시드(metal seed) 역할을 하면서 확산 방지 역할을 수행할 수 있는 금속 물질로 형성되는데, 금속 배선용으로 사용될 금속 재료에 따라 적절하게 선택하여 형성하여야 한다. 널리 사용되는 금속 배선용 재료로는 알루미늄, 텅스텐, 구리 등이 있으며, 이들을 증착 하여 형성된 금속층에 주로 사용되는 확산 방지막으로 타이타늄/타이타늄나이트라이드 혹은 탄탈륨/탄탈륨나이트라이드 등이 있으며, 본 발명의 확산 방지막(15)으로도 사용 가능하다.
도 1b를 참조하면, 화학기계적 연마법으로 층간 절연막(13) 상의 확산 방지막(15)을 제거하여 듀얼 다마신 패턴(14) 내에만 확산 방지막(15)을 남긴다.
도 1c를 참조하면, 스페이서 식각 공정을 실시하여 듀얼 다마신 패턴(14) 내에 남겨진 확산 방지막(15)을 식각 하여, 콘택홀(14A)의 측벽 및 트렌치(14B)의 측벽에 확산 방지막(15)을 남기고, 콘택홀(14A)의 바닥인 도전층(12) 및 트렌치(14B)의 바닥인 층간 절연막(13)은 노출된다.
도 1d에는 측벽에 남겨진 확산 방지막(15)과 콘택홀(14A) 바닥에 노출된 도전층(12)을 금속 시드층으로 하여 금속을 선택적 증착법으로 듀얼 다마신 패턴(14) 내에 금속층(16A)을 증착 하는 과정이 도시된다.
상기에서, 선택적 증착법을 실시하기 전에 -150V 이하의 웨이퍼 바이어스를 이용하여 금속 산화막(도시 안음)을 건식 식각법으로 제거한다. 금속층(16A)의 선택적 증착 두께는 금속 배선 폭의 0.5 내지 0.6에 해당하는 두께로 증착하며, 금속층(16A)은 그 재료로 알루미늄, 텅스텐, 구리 등을 이용한다. 금속층(16A)은 선택적 확산 방지막(15) 및 노출된 도전층(12)에서 성장이 동시에 일어나며, 확산 방지막(15) 및 노출된 도전층(12) 각각으로부터 수직 방향으로 성장되기 때문에 선택적 증착법으로 금속을 계속 성장시키면, 도 1e에 도시된 바와 같이, 듀얼 다마신 패턴(14)의 단차에 관계없이 듀얼 다마신 패턴(14) 내에 금속을 양호하게 매립시킬 수 있다. 층간 절연막(13) 상부 및 트렌치(14B)의 바닥인 층간 절연막(13) 표면에는 금속의 성장이 잘 이루어지지 않는다. 따라서, 금속 배선의 선폭을 결정하는 트렌치(14B)와 콘택홀(14A)의 크기가 크면 그 만큼 더 시간이 소요된다. 금속 배선용 재료로는 알루미늄, 텅스텐, 구리
도 1f 참조하면, 선택적 증착법으로 듀얼 다마신 패턴(14) 내에 금속층(16A) 매립을 완료한 후, 화학기계적 연마 공정을 통해 표면을 터치 폴리싱하여 듀얼 다마신 패턴(14) 주변에 존재하는 금속 잔류물 또는 디펙트(defect) 요인을 제거하고, 배선 보호층(17)을 형성하여 금속 배선(17) 제작을 완료한다. 만약, 화학기계적 연마가 필요 없을 정도로 매립이 완료될 경우에는 화학기계적 연마 공정을 실시할 필요가 없다.
상기에서, 화학기계적 연마 공정을 통한 터치 폴리싱은 열 산화막을 기준으로 500Å 미만으로 제거한다. 배선 보호층(17)은 화학기계적 연마 공정 이후 시간 지체 없이 실리콘나이트라이드 또는 실리콘옥시나이트라이드 등으로 형성한다.
상기한 본 발명의 실시예에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 기술적 원리를 적용할 경우, 여러 가지 콘택 단차비를 갖는 콘택에서 사용 불가능하였던 선택적 증착법을 이용하여 기존의 다마신법보다 용이하게 콘택의 매립과 배선의 매립을 동시에 형성할 수 있다. 한편, 본 발명의 실시예에서의 듀얼 다마신 방법뿐만 아니라, 싱글 다마신 또는 일반적인 콘택 매립 방법에도 본 발명의 기술적 원리를 적용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 선택적 증착의 가장 큰 문제인 성장 방향이 한곳이라는 문제를 두방향으로 하여 단차비에 관계없이 콘택을 매립할 수 있어 선택적 증착의 실용화를 가능하게 할 수 있으며, 콘택과 배선을 동시에 매립할 수 있기 때문에 다마신 공정을 매우 간단하게 이룰 수 있다.
Claims (7)
- 비아 콘택홀과 트렌치로 이루어진 듀얼 다마신 패턴을 형성하는 단계;상기 듀얼 다마신 패턴을 포함한 층간 절연막 상에 확산 방지막을 형성하는 단계;화학기계적 연마 공정 및 스페이서 식각 공정을 순차적으로 실시하여 상기 확산 방지막을 식각하고, 이로 인하여 상기 콘택홀의 측벽 및 트렌치의 측벽에 확산 방지막이 남는 단계; 및상기 남겨진 확산 방지막 및 상기 콘택홀 바닥에 노출된 도전층을 금속 시드층으로 하여 금속을 선택적 증착법으로 듀얼 다마신 패턴 내에 성장시키고, 이로 인하여 상기 듀얼 다마신 패턴 내에 금속층이 매립되며, 이후 배선 보호층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 확산 방지막은 선택적 증착 공정시 금속 시드 역할을 하면서 확산 방지 역할을 수행할 수 있는 금속 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 확산 방지막은 타이타늄/타이타늄나이트라이드 및 탄탈륨/탄탈륨나이트라이드 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 선택적 증착법을 실시하기 전에 -150V 이하의 웨이퍼 바이어스를 이용하여 금속 산화막을 건식 식각법으로 제거하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 금속층의 선택적 증착 두께는 금속 배선 폭의 0.5 내지 0.6에 해당되는 두께로 증착 하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 금속층은 알루미늄, 텅스텐 및 구리 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 선택적 증착법으로 듀얼 다마신 패턴 내에 금속층 매립을 완료한 후, 화학기계적 연마 공정을 통해 표면을 터치 폴리싱하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
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