KR100342639B1 - 반도체 구조물의 제조 방법 - Google Patents

반도체 구조물의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

기판 상에 하부 절연층, 하부 에칭 스토퍼막, 상부 절연층 및 상부 에칭 스토퍼막으로 이루어진 적층 구조물이 제공된다. 비아 홀은 기판의 도핑 영역 상의 위치에 형성되며, 이러한 비아 홀은 상부 에칭 스토퍼막 및 상부 절연층을 통해 하부 에칭 스토퍼막에까지 연장된다. 상부 에칭 스토퍼막 상에는, 트랜치 패턴을 갖는 포토레지스트층이 배치되어 트랜치 패턴의 레플리카가 생성된 후, 포토레지스트층이 제거된다. 그 후, 상부 절연층의 일부는 트랜치 패턴의 레플리카를 통해 제거되어 배선 트랜치를 형성하며, 하부 에칭 스토퍼막의 상기 제거된 부분을 통해 하부 절연층의 일부가 제거되어 비아 홀이 도핑 영역에까지 연장된다. 배선 트랜치를 통해 상부 에칭 스토퍼막 및 하부 에칭 스토퍼막의 일부가 동시에 제거된다. 마지막으로, 비아 홀 및 배선 트랜치 내에 금속이 증착된다.

Description

반도체 구조물의 제조 방법{METHOD OF FABRICATING A SEMICONDUCTOR STRUCTURE}
본 발명은 일반적으로 반도체 구조물 상에 금속을 증착하는 방법에 관한 것으로, 특히 비아 홀과 트랜치 패턴간의 오정렬에도 불구하고 개선된 비아 접속을 형성하도록 금속을 증착하는 반도체 구조물의 제조 방법에 관한 것이다.
M. M Chow 등에게 허여된 미국 특허 제4,789,648호에는 반도체 구조물 상에 금속을 증착하는 방법이 개시되어 있다. 이러한 종래 기술에 따르면, 금속층(a layer of metallization)이 형성된 반도체 기판 상에 절연 재료의 적층 구조물이 제공된다. 이러한 적층형의 절연체 구조물은 하부 절연층과 상부 절연층 사이에 삽입되어 있는 에칭 스토퍼막으로 구성된다. 에칭 스토퍼막은 개구를 갖는다. 그 후, 트랜치 패턴을 갖는 포토레지스트층이 구조물 상에 증착되고 배선 트랜치를 형성하기 위한 트랜치 패턴을 통해 상부 절연층의 일부가 에칭된다. 이러한 에칭 공정이 계속되어 에칭 스토퍼막의 개구를 통해 하부 절연층의 일부를 금속층 하부까지 에칭하여 비아 홀을 형성한다. 그 후, 비아 홀 및 배선 트랜치에 금속이 증착되어 배선 트랜치 내의 금속과 도체간의 비아 접속이 완료된다.
그러나, 트랜치 패턴이 에칭 스토퍼막의 개구와 오정렬되면, 비아 홀내의 금속과 배선 트랜치 내의 금속간의 효율적인 접촉 영역이 저감된다. 이러한 접촉 영역의 저감으로 인해 전위 소스에 오류가 발생된다.
더욱이, 비아 홀을 형성하기 위한 에칭 공정이 계속되는 동안 에칭 스토퍼막이 에칭 가스에 노출된다. 그러므로, 에칭 스토퍼막은, 에칭 가스로 처리하는 동안에 부식을 견뎌낼 수 있는 재료로 이루어져야 하므로, 배선 트랜치를 형성하는 재료는 고유전률을 갖는다. 그 결과, 인접한 배선 도체들간의 기생 용량이 증가하여 반도체 소자의 고성능에 악영향을 미친다.
그러므로, 본 발명의 목적은 오정렬에도 불구하고 접촉 면적이 저감되지 않는 비아 접속을 보장하는 반도체 구조물을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 반도체 소자의 고속 동작을 달성하기 위해 배선 도체에 저유전률을 보장하는 반도체 구조물을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 특징에 따르면, 도핑 영역을 갖는 기판을 제공하는 단계, 하부 절연층, 하부 에칭 스토퍼막, 상부 절연층 및 상부 에칭 스토퍼막을 포함하는 적층 구조물을 상기 기판 상에 순차적으로 형성하는 단계, 상기 상부 에칭 스토퍼막 및 상부 절연층을 통해 하부 에칭 스토퍼막에까지 연장되는 비아 홀을 상기 도핑 영역 상에 형성하는 단계, 트랜치 패턴을 갖는 포토레지스트층을 상기 상부 에칭 스토퍼막 상에 형성하는 단계, 상기 상부 에칭 스토퍼막 상에 상기 트랜치 패턴의 레플리카를 형성하는 단계, 상기 포토레지스트층을 제거하는 단계, 배선 트랜치를 형성하기 위해 상기 트랜치 패턴의 상기 레플리카를 통해 상기 상부 절연층의 일부 및 상기 비아 홀을 상기 도핑 영역까지 연장시키기 위해 상기 하부 에칭 스토퍼막의 상기 제거된 부분을 통해 상기 하부 절연층의 일부를 동시에 제거하는 단계, 상기 배선 트랜치를 통해 상기 상부 에칭 스토퍼막 및 상기 하부 에칭 스토퍼막의 일부를 동시에 제거하는 단계, 및 상기 비아 홀 및 상기 배선 트랜치 내에 금속을 증착하는 단계를 포함하는 반도체 구조물 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 제2 특징에 따르면, 도핑 영역을 갖는 기판을 제공하는 단계, 하부 에칭 스토퍼막, 하부 절연층, 중간 에칭 스토퍼막, 상부 절연층 및 상부 에칭 스토퍼막을 포함하는 적층 구조물을 상기 기판 상에 순차적으로 형성하는 단계, 상기 상부 에칭 스토퍼막 및 상부 절연층을 통해 상기 중간 에칭 스토퍼막에까지 연장되는 비아 홀을 상기 도핑 영역 상에 형성하는 단계, 트랜치 패턴을 갖는 포토레지스트층을 상기 상부 에칭 스토퍼막 상에 형성하는 단계, 상기 상부 에칭 스토퍼막 상에 상기 트랜치 패턴의 레플리카를 형성하는 단계, 상기 포토레지스트층을 제거하는 단계, 배선 트랜치를 형성하기 위해 상기 트랜치 패턴의 상기 레플리카를 통해 상기 상부 절연층의 일부 및 상기 비아 홀을 상기 하부 에칭 스토퍼막에까지 연장시키기 위해 상기 중간 에칭 스토퍼막의 상기 제거된 부분을 통해 상기 하부 절연층의 일부를 동시에 제거하는 단계, 상기 배선 트랜치를 통해 상기 상부 에칭 스토퍼막 및 상기 중간 에칭 스토퍼막의 일부, 및 상기 비아 홀을 통해 상기 하부 에칭 스토퍼막의 일부를 동시에 제거하는 단계, 및 상기 비아 홀 및 상기 배선 트랜치 내에 금속을 증착하는 단계를 포함하는 반도체 구조물 제조 방법이 제공된다.
도 1 내지 9는 반도체 구조물을 제조하기 위해 본 발명에서 사용되는 처리 단계를 순차적으로 도시한 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 기판
2, 4, 6 : 에칭 스토퍼막
3, 5 : 절연층
7 : 포토레지스트층
10 : 도핑 영역
9 : 금속층
11 : 비아 홀
12 : 트랜치 패턴
13 : 배선 트랜치
도 1은 본 발명의 반도체 구조물을 도시하고 있다, 본 발명의 반도체 구조물은 복수의 불순물-도핑 영역들이 형성되어 있는 소정의 도전형의 기판(1)을 포함한다. 도 1에는 그러한 도핑 영역들중 하나의 영역(10)이 도시되어 있다. 기판 상에는 실리콘 질화물(Si3N4)의 하부 에칭 스토퍼막(2)이 500 Å의 두께로 증착된다. 실리콘 질화물층(2) 상에는 12,000 Å의 두께의 보로포스포실리케이트 글래스 (BPSG;borophosphosilicate glass)층(3)이 하부 절연층으로서 제공된다. BPSG층(3)은 화학적 기계적 연마 기술을 이용하여 7,000 Å의 두께로 평탄화된다. 하부 절연층(3) 상에는 실리콘 질화물의 중간 에칭 스토퍼막(4)이 500Å의 두께로 형성된다. 그 후, 표준 플라스마 CVD(chemical vapor deposition;화학 기상 증착) 기술이 사용되어 중간 에칭 스토퍼막(4) 상에 5000Å의 두꺼운 실리콘 이산화물(SiO2)층(5)이 형성되며, 이러한 층은 상부 절연층으로서 기능한다. 마지막으로, 실리콘 질화물의 상부 에칭 스토퍼막(6)이 중간 에칭 스토퍼막 및 하부 에칭 스토퍼막의 두께보다도 두껍게 증착된다. 통상적으로, 에칭 스토퍼막(6)은 1000 Å의 두께를 갖는다. 에칭 스토퍼막(2 및 4)보다 두꺼운 두께를 갖는 대신에, 상부 에칭 스토퍼막(6)은 다른 에칭 스토퍼막(2 및 4)보다 에칭에 대해 보다 잘 견딜 수 있는 재료로 형성될 수도 있다. 응용에 따라, 하부 에칭 스토퍼막(2)이 없어도 된다.
그 후, 도 2에 도시된 바와 같이, C4F8/Ar/O2의 혼합 가스를 사용하는 표준 포토리소그래피 및 이방성 건식 에칭 공정에 의해 비아 홀(11)이 도 1의 적층 구조물상에 형성된다. 이러한 비아 홀은 상부 에칭 스토퍼막(6), 상부 절연층(5) 및 중간 에칭 스토퍼막(4)을 통해 연장된다. 양호하게는, 비아 홀은 하부 절연층(3)까지 부분적으로 연장된다.
도 2의 적층 구조물 상에는, 도 3에 도시된 바와 같이 트랜치 패턴(12)을 갖는 포토레지스트층(7)이 증착된다. 이상적으로는, 트랜치 패턴(12)의 중심선은 비아 홀(11)의 중심축과 정렬된다. 그러나, 오정렬이 발생될 수 있으므로, 비아 홀(11)에 참조 번호 12A로 나타낸 바와 같은 레지스트 재료가 충전될 수도 있다.
그 후, 도 4에 도시된 바와 같이 트랜치 패턴(12)을 통해 외측에 노출된 상부 에칭 스토퍼막(6)의 일부를 이방성 건식 에칭하기 위한 마스크로서 포토레지스트층(7)이 사용된다. 이러한 건식 에칭 공정에서는, CHF3/O2의 혼합 가스가 사용된다.
그 후, 상부 에칭 스토퍼막(6) 상부의 트랜치 패턴(12)의 레플리카를 노출시켜 포토레지스트층(7)이 제거된다. 포토레지스트층(7)의 제거에 의해 비아 홀(11)로부터 레지스트 재료(12A)가 또한 제거된다. 오정렬에도 불구하고, 트랜치 패턴(12) 및 비아 홀(11)은 에지-에지 방식으로 정렬된다.
에칭 스토퍼막(6)에 의해 형성된 트랜치 패턴(12)의 레플리카는, C4F8/CO/Ar/O2의 혼합 가스를 사용하는 이방성 건식 에칭 기술에 의해 상부 절연층(5)의 일부 및 하부 절연층(3)의 일부를 제거하기 위한 마스크로서 사용된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상부 절연층(5)의 에칭은 중간 에칭 스토퍼막(4)에서 종단된다. 동시에, 하부 절연층(3)의 에칭이 하부 에칭 스토퍼막(2)에서 종단된다. 그 결과, 중간 에칭 스토퍼막(4)의 노출부 상에 배선 트랜치(13)가 형성되고, 비아 홀(11)은 하부 에칭 스토퍼막(2)에까지 또는 하부 에칭 스토퍼막(2)이 제공되지 않은 경우에는 도핑 영역(10)에까지 연장된다. 상부 에칭 스토퍼막(6) 역시 에칭 가스에 노출되기 때문에, 이러한 상부 에칭 스토퍼막(6)은 도 6에 도시된 바와 같이 다른 에칭 스토퍼막(2 및 4)과 동일한 두께로 에칭된다.
에칭 스토퍼막(6)이 다른 에칭 스토퍼막보다 더 에칭에 대해 견딜수 있는 경우, 이러한 에칭 스토퍼막(6)은 다른 에칭 스토퍼막(2 및 4)과 동일한 두께로 에칭되지 않을 수도 있다. 이 경우, 에칭 스토퍼막(6)의 두께는, 적층 구조물이 후속의 에칭 공정에 노출되는 경우 모든 에칭 스토퍼막이 그것의 전체 두께에까지 동시에 에칭되도록 다른 에칭 스토퍼막의 두께에 따라 결정된다.
하부 에칭 스토퍼막 및 중간 에칭 스토퍼막(2 및 4)이 층(3 및 5)의 에칭 동안에 에칭 가스에 노출되지 않기 때문에, 에칭 스토퍼막(2 및 4)에는 500 Å의 두께가 충분하리라고 고려된다. 이러한 이유로 인해, 에칭 스토퍼막(2 및 4)의 증착에 표준 저온 플라스마 CVD 기술이 효율적으로 사용될 수 있다.
그 후, 도 7에 도시된 바와 같이, 상부 에칭 스토퍼막(6), 배선 트랜치(13)를 통해 노출되는 중간 에칭 스토퍼막(4)의 일부 및 비아 홀(11)을 통해 노출되는 하부 에칭 스토퍼막(2)의 일부를 제거하는 에칭 공정이 수행된다. 이러한 공정에는 CHF3/O2의 에칭 가스가 사용된다. 자연적 산화(spontaneous oxidation)에 의해 비아 홀(11) 내에 형성될 수도 있는 산화물질은 아르곤 이온 스퍼터링 기술을 사용하여 세정된다. 비아 홀(11)을 한정하는 중간 에칭 층(4)의 일부가 제거되고 하부에 배치된 절연층(3)이 노출되기 때문에, 배선 트랜치(13)를 형성하는 재료들은 저 유전률을 갖는다. 그러므로, 반도체 소자의 인접한 배선 도체들간의 용량이 감소되어 고속 동작에 유리해진다.
도 7의 적층 구조물 상에는, 도 8에 도시된 바와 같이 티타늄 질화물 또는 티타늄(TiN/Ti)과 같은 금속 물질로 이루어진 박막이 증착된다. 박막의 금속막(8)은, 도핑 영역(10)과 비아 홀 및 배선 트랜치에 충전된 금속간의 밀접한 접촉부로 기능한다. 양호한 충전 금속은 텅스텐이며, 이러한 금속은 CVD 기술에 의해 박막 코팅 구조물 상에 성장되어 8,000 Å의 두께의 금속층(9)을 형성한다. 이러한 방식으로, 도핑 영역(10)과 배선 트랜치(13) 내의 금속간의 비아 접속이 이루어진다.
그 후, 상부 절연층(5) 및 금속(9)의 표면이 도 9에 도시된 바와 같이 동일하게 평탄화되도록, 화학적 기계적 연마 기술을 사용하여 과다 충전된 금속층(9) 및 박막(8)을 제거하여 상부 절연층(5)을 노출시킨다.

Claims (12)

  1. 반도체 구조물을 제조하는 방법에 있어서,
    a) 도핑 영역(10)을 갖는 기판(1)을 제공하는 단계;
    b) 하부 절연층(3), 하부 에칭 스토퍼막(4), 상부 절연층(5) 및 상부 에칭 스토퍼막(6)을 포함하는 적층 구조물을 상기 기판 상에 순차적으로 형성하는 단계;
    c) 상기 상부 에칭 스토퍼막(6) 및 상부 절연층(5)을 통해 하부 에칭 스토퍼막(4)에까지 연장되는 비아 홀(11)을 상기 도핑 영역 상에 형성하는 단계;
    d) 트랜치 패턴(12)을 갖는 포토레지스트층(7)을 상기 상부 에칭 스토퍼막(6) 상에 형성하는 단계;
    e) 상기 상부 에칭 스토퍼막(6) 상에 상기 트랜치 패턴의 레플리카를 형성하는 단계;
    f) 상기 포토레지스트층(7)을 제거하는 단계;
    g) 배선 트랜치(13)를 형성하기 위해 상기 트랜치 패턴의 상기 레플리카를 통해 상기 상부 절연층(5)의 일부를 제거하는 동시에, 상기 비아 홀을 상기 도핑 영역까지 연장시키기 위해 상기 하부 에칭 스토퍼막(4)의 상기 제거된 부분을 통해 상기 하부 절연층(3)의 일부를 제거하는 단계;
    h) 상기 배선 트랜치(13)를 통해 상기 상부 에칭 스토퍼막(6) 및 상기 하부 에칭 스토퍼막(4)의 일부를 동시에 제거하는 단계; 및
    i) 상기 비아 홀 및 상기 배선 트랜치 내에 금속(9)을 증착하는 단계
    를 포함하는 반도체 구조물 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 상부 에칭 스토퍼막(6)의 두께는 상기 하부 에칭 스토퍼막(4)의 두께보다 두꺼운, 반도체 구조물 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 상부 에칭 스토퍼막(6)은 상기 하부 에칭 스토퍼막(4)보다 에칭에 대해 보다 잘 견딜 수 있는, 반도체 구조물 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계는 상기 비아 홀이 상기 하부 절연층(3)에까지 부분적으로 연장되도록 상기 비아 홀을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 구조물 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 (i) 단계는,
    상기 (h) 단계에서 얻어진 적층 구조물을 제1 금속의 박막(8)으로 코팅하는 단계;
    상기 코팅된 적층 구조물 상에 제2 금속 층(9)을 증착하는 단계; 및
    화학적 기계적 연마 기술에 의해 상기 제2 금속 층(9)의 일부를 제거하여 상기 상부 절연층(5) 및 상기 배선 트랜치 내에 증착된 금속의 표면을 동일하게 평탄화시키는 단계
    를 포함하는 반도체 구조물 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 금속은 티타늄 또는 티타늄 질화물을 포함하며, 상기 제2 금속은 텅스텐을 포함하는 반도체 구조물 제조 방법.
  7. 반도체 구조물을 제조하는 방법에 있어서,
    a) 도핑 영역(10)을 갖는 기판(1)을 제공하는 단계;
    b) 하부 에칭 스토퍼막(2), 하부 절연층(3), 중간 에칭 스토퍼막(4), 상부 절연층(5) 및 상부 에칭 스토퍼막(6)을 포함하는 적층 구조물을 상기 기판 상에 순차적으로 형성하는 단계;
    c) 상기 상부 에칭 스토퍼막(6) 및 상부 절연층(5)을 통해 상기 중간 에칭 스토퍼막(4)에까지 연장되는 비아 홀(11)을 상기 도핑 영역 상에 형성하는 단계;
    d) 트랜치 패턴(12)을 갖는 포토레지스트층(7)을 상기 상부 에칭 스토퍼막(6) 상에 형성하는 단계;
    e) 상기 상부 에칭 스토퍼막(6) 상에 상기 트랜치 패턴의 레플리카를 형성하는 단계;
    f) 상기 포토레지스트층(7)을 제거하는 단계;
    g) 배선 트랜치(13)를 형성하기 위해 상기 트랜치 패턴의 상기 레플리카를 통해 상기 상부 절연층(5)의 일부를 제거하는 동시에, 상기 비아 홀을 상기 하부 에칭 스토퍼막(2)에까지 연장시키기 위해 상기 중간 에칭 스토퍼막(4)의 상기 제거된 부분을 통해 상기 하부 절연층(3)의 일부를 제거하는 단계;
    h) 상기 배선 트랜치(13)를 통해 상기 상부 에칭 스토퍼막(6) 및 상기 중간 에칭 스토퍼막(4)의 일부, 및 상기 비아 홀을 통해 상기 하부 에칭 스토퍼막(2)의 일부를 동시에 제거하는 단계; 및
    i) 상기 비아 홀 및 상기 배선 트랜치 내에 금속(9)을 증착하는 단계
    를 포함하는 반도체 구조물 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 상부 에칭 스토퍼막(6)의 두께는 상기 하부 에칭 스토퍼막(4)의 두께보다 두꺼운, 반도체 구조물 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 상부 에칭 스토퍼막(6)은 상기 하부 및 중간 에칭 스토퍼막(2, 4)보다 에칭에 대해 보다 잘 견딜 수 있는, 반도체 구조물 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 (c) 단계는 상기 비아 홀이 상기 하부 절연층(3)에까지 부분적으로 연장되도록 상기 비아 홀을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 구조물 제조 방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 (i) 단계는,
    상기 (h) 단계에서 얻어진 적층 구조물을 제1 금속의 박막(8)으로 코팅하는 단계;
    상기 코팅된 적층 구조물 상에 제2 금속 층(9)을 증착하는 단계; 및
    화학적 기계적 연마 기술에 의해 제2 금속 층(9)의 일부를 제거하여 상기 상부 절연층(5) 및 상기 배선 트랜치 내에 증착된 금속의 표면을 동일하게 평탄화시키는 단계
    를 포함하는 반도체 구조물 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 금속은 티타늄 또는 티타늄 질화물을 포함하며, 상기 제2 금속은 텅스텐을 포함하는 반도체 구조물 제조 방법.
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