KR100363696B1 - Method for forming mutilayered metal line in semiconductor device - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체장치의 다층 금속배선 형성방법에 관한 것으로, 특히 이 방법은 하부 금속 배선이 형성된 기판 전면에 평탄화된 층간 절연막을 형성하고, 기판 상부에 제 1감광막 패턴을 형성한 후에, CxFy를 활성화시킨 플라즈마로 제 1감광막 패턴 하부의 층간 절연막을 얇게 트렌치 식각하여 단차를 형성하고, 제 1감광막 패턴을 제거하고 결과물 전면에 유기성 반사방지막을 도포한 후에, 유기성 반사방지막 상부에 제 2감광막 패턴을 형성하고, CxFy를 활성화시킨 플라즈마로 제 2감광막 패턴에 맞추어 유기성 반사방지막과 층간 절연막을 식각하여 층간 절연막내에 비아 및 상부 배선용 트렌치를 동시에 형성고, 비아 및 상부 배선용 트렌치가 형성된 층간 절연막에 금속을 매립하고 이를 연마하여 하부 금속배선과 연결되는 비아 플러그 및 상부 배선을 동시에 형성한다. 이에 따라, 본 발명은 유기성 반사방지막을 이용하여 감광막의 미세 패터닝을 구현할 수 있으며 이중 상감 방식과 마찬가지로 플러그용 비아 및 금속 배선용 트렌치를 동시에 식각하여 금속 배선 패턴의 정밀도를 향상시킬 수 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a multi-layered metal wiring in a semiconductor device, and in particular, this method forms a planarized interlayer insulating film on the entire surface of the substrate on which the lower metal wiring is formed, and after forming the first photoresist pattern on the substrate, activates CxFy. After forming a step by thin trench etching the interlayer insulating film under the first photoresist pattern with the plasma, the first photoresist pattern is removed and an organic antireflective coating is applied on the entire surface of the resultant, and then the second photoresist pattern is formed on the organic antireflection coating. The organic anti-reflective film and the interlayer insulating film are etched using the plasma having activated CxFy to form the via and the upper wiring trench in the interlayer insulating film at the same time, and the metal is buried in the interlayer insulating film on which the via and the upper wiring trench are formed. Grind it to make the via plug and the upper wiring connected to the lower metal wiring At the same time to form. Accordingly, the present invention can implement fine patterning of the photoresist using an organic antireflection film, and like the double damascene method, the vias for plugs and the trenches for metal wirings can be simultaneously etched to improve the precision of the metal wiring patterns.

Description

반도체장치의 다층 금속배선 형성방법{Method for forming mutilayered metal line in semiconductor device}Method for forming mutilayered metal line in semiconductor device

본 발명은 반도체장치의 다층 금속배선 형성방법에 관한 것으로, 특히 고집적 반도체장치의 다층 배선 장치에서 감광막 패터닝에 공정 마진을 크게 확보한 새로운 이중 상감(dual damascene) 방식으로 비아플러그용 비아와 배선 영역 공간의 트랜치를 동시에 식각할 수 있는 기술이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a multi-layered metal wiring in a semiconductor device. In particular, a via plug for via plug and wiring area space can be obtained by a new dual damascene method which greatly secures a process margin for photosensitive film patterning in a multi-layered wiring device of a highly integrated semiconductor device. It is a technique that can simultaneously etch a trench.

반도체 장치는 소자의 집적도가 증가함에 따라 금속 배선간의 간격이 좁아지며, 금속 배선의 수가 점차 증가됨에 따라 상부 및 하부 금속간을 상호 수직으로 연결하는 플러그 공정이 점차 중요하게 인식되었다.In semiconductor devices, as the degree of integration of devices increases, the gap between metal interconnections becomes narrower, and as the number of metal interconnections gradually increases, a plug process for vertically connecting upper and lower metals to each other has become increasingly important.

최근에는 소자의 크기가 축소되는 동시에 고속 동작을 요구하고 있으므로 미세 제조 기술로 반도체 장치를 제조하는 것 이외에도 디바이스 자체의 수행 능력을 크게 향상시키도록 하고 있다. 이에 반도체 장치는 활성 소자의 성능을 극대화하는 방안으로 다층 배선 구조를 사용하고 있다.Recently, since the size of the device is reduced and high-speed operation is required, the performance of the device itself is greatly improved in addition to manufacturing a semiconductor device using a fine fabrication technique. Accordingly, the semiconductor device uses a multilayer wiring structure to maximize the performance of the active device.

도 1a 내지 도 1j는 종래 기술에 따른 반도체장치의 다층 금속배선 형성방법을 순차적으로 설명하기 위한 공정 순서도로서, 이를 참조하면 종래의 다층 금속배선 공정의 일 예는 다음과 같다.1A to 1J are process flowcharts for sequentially explaining a method of forming a multilayer metal wiring of a semiconductor device according to the prior art. Referring to this, an example of a conventional multilayer metal wiring process is as follows.

우선, 도 1a에 도시된 바와 같이, 반도체기판에 형성된 반도체 소자등의 하부 구조물(10) 표면에 소정의 배선 공정을 거쳐 Ti과 TiN 등의 제 1확산 방지막(11)과, 금속으로서 Al층(12)과, Ti과 TiN 등의 제 2확산 방지막(13)을 순차적층하고 사진 및 식각 공정을 진행하여 이들 확산 방지막(11,13)과 금속 Al층(12)을 패터닝해서 하부 금속배선(bl)을 형성한다.First, as shown in FIG. 1A, the first diffusion barrier film 11, such as Ti and TiN, and the Al layer (as a metal) are formed on a surface of a lower structure 10 such as a semiconductor element formed on a semiconductor substrate through a predetermined wiring process. 12) and the second diffusion barrier 13, such as Ti and TiN, are sequentially layered, and the photolithography and etching processes are performed to pattern the diffusion barriers 11 and 13 and the metal Al layer 12 to form a lower metal wiring (bl). ).

그리고, 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 하부 금속배선(bl)과 이후 형성될 상부 배선을 전기적으로 층간 절연하기 위한 층간 절연막(14)을 증착한 후에 연마 공정, 예컨대 화학기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing) 공정으로 층간 절연막(14) 표면을 평탄하게 연마한다. 이때, 층간 절연막(14)의 증착시 그 상부 표면은 하부 금속배선(bl)의 토포로지에 따라 굴곡을 갖기 때문에 연마 공정으로 층간 절연막의 표면에서 발생하는 굴곡을 제거하고 설계에서 요구하는 두께를 맞춘다.In addition, as shown in FIG. 1B, after depositing an interlayer insulating layer 14 for electrically interlayer insulating the lower metal wiring bl and the upper wiring to be formed thereafter, a polishing process, for example, chemical mechanical polishing (Chemical Mechanical Polishing) ), The surface of the interlayer insulating film 14 is polished flat. At this time, when the interlayer insulating film 14 is deposited, the upper surface of the interlayer insulating film 14 is curved according to the topology of the lower metal wiring bl, thereby removing the bending occurring on the surface of the interlayer insulating film by a polishing process and matching the thickness required by the design. .

그 다음, 도 1c에 도시된 바와 같이, 평탄화된 층간 절연막(14) 표면에 수직 배선의 콘택홀 형성을 위한 사진 공정을 진행하되, 포토레지스트을 증착하고 이를 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴(16)을 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 1C, a photolithography process is performed on the planarized interlayer insulating film 14 to form contact holes of vertical interconnections. The photoresist pattern 16 is deposited by exposing and developing the photoresist. Form.

이어서, 도 1d에 도시된 바와 같이, 상기 포토레지스트 패턴(16)에 맞추어 층간 절연막(14)을 선택 식각하되, 활성화된 플라즈마, 예컨대 CxFy 활성화시킨 플라즈마로 층간 절연막(14)을 식각해서 비아(17)를 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 1D, the interlayer insulating layer 14 is selectively etched according to the photoresist pattern 16, and the interlayer insulating layer 14 is etched with an activated plasma, for example, a CxFy-activated plasma. ).

그 다음, 도 1e에 도시된 바와 같이, 비아(17)가 형성될 층간 절연막(14) 표면에 Ti/TiN등으로 이루어진 제 3확산 방지막(18)을 증착하고, CVD(Chemical Vapor Deposition) 법에 의해 비아(17)에 비아-플러그용 금속층으로서 W(20)을 매립한다.Next, as shown in FIG. 1E, a third diffusion barrier film 18 made of Ti / TiN or the like is deposited on the surface of the interlayer insulating film 14 on which the vias 17 are to be formed, and then subjected to a chemical vapor deposition (CVD) method. W 20 is embedded in via 17 as a via-plug metal layer.

그리고, 도 1f에 도시된 바와 같이, 비아(17)외 영역에 존재하는 금속들을 모두 제거하면서 표면 전체를 평탄화하기 위하여 CMP(Chemical MechanicialPolishing) 또는 플라즈마에 의한 전면 식각법(etch back)으로 연마 공정을 실시하여 층간 절연막(14) 부위의 Ti,TiN(18)과 W(20)을 제거함과 동시에 그 표면을 평탄화시켜서 비아(17)내에 매립된 W 플러그(20')를 형성한다.In addition, as illustrated in FIG. 1F, the polishing process is performed by chemical mechanical polishing (CMP) or plasma etch back using plasma to planarize the entire surface while removing all metals in the region outside the via 17. By removing Ti, TiN 18 and W 20 in the interlayer insulating film 14, the surface is planarized to form a W plug 20 'embedded in the via 17.

그 다음, 도 1g에 도시된 바와 같이, 상부 배선 공정을 진행하고자 Ti/TiN 등의 제 4확산 방지막(21)과, 상부 배선 금속으로서 Al(22)과, Ti/TiN 등의 제 5확산 방지막(23)을 순차 증착한다.Then, as shown in FIG. 1G, a fourth diffusion barrier film 21 such as Ti / TiN, Al (22) as the upper wiring metal, and a fifth diffusion barrier film such as Ti / TiN to proceed the upper wiring process. (23) is sequentially deposited.

그리고, 도 1h 및 도 1i에 도시된 바와 같이, 제 5확산 방지막(23) 표면에 사진공정을 진행하여 상부 배선용 포토레지스트 패턴(24)을 형성하고, 상기 포토레지스트 패턴(24)을 이용한 식각 공정을 진행하되 활성화된 플라즈마, 예컨대 CxFy 플라즈마 가스로 제 5확산 방지막(23), Al(22), 및 제 4확산 방지막(21)을 패터닝하여 상부 금속배선(tl)을 형성한다.1H and 1I, a photolithography process is performed on the surface of the fifth diffusion barrier layer 23 to form a photoresist pattern 24 for upper wiring, and an etching process using the photoresist pattern 24 is performed. Next, the fifth diffusion barrier 23, Al 22, and the fourth diffusion barrier 21 are patterned with an activated plasma, for example, a CxFy plasma gas, to form an upper metal wiring tl.

이어서, 도 1j에 도시된 바와 같이, 상부 금속배선(tl)이 형성된 결과물에 상부의 층간 절연막(26)을 증착하고 그 표면을 평탄화한다.Subsequently, as shown in FIG. 1J, the upper interlayer insulating film 26 is deposited on the resultant product on which the upper metal wiring tl is formed, and the surface thereof is planarized.

이러한 제조 과정을 반복 실시하면 반도체장치의 다층 배선을 제조할 수 있다.By repeating this manufacturing process, a multilayer wiring of a semiconductor device can be manufactured.

그러나, 이와 같이 금속 배선 및 비아 식각을 따로 진행하는 일반적인 금속 배선의 제조 방법의 경우에는 안정적인 공정을 구현할 수 있는 장점을 갖는 반면에, 공정 특성상 다음과 같은 문제점이 있다.However, in the case of the manufacturing method of a general metal wiring, which proceeds separately through the metal wiring and via etching, while having a stable process can be implemented, there are the following problems in process characteristics.

첫째, 감광막 패터닝에 있어서 일반적으로 홀(hole) 또는 패드(pad) 형태를 만드는 것이 라인(line) 형태를 만드는 것보다 공정 마진이 작다. 그리고, 감광막의 두께가 높을수록 패터닝이 어려워진다. 그러므로, 종래 공정 방식에서는 상당히 높은 두께의 감광막에 비아홀(via-hole)를 패터닝해야하기 때문에 미세한 패터닝을 구현하는데 있어 어려움이 있다.First, in photoresist patterning, forming a hole or pad generally requires less process margin than forming a line. And, the higher the thickness of the photosensitive film, the harder the patterning becomes. Therefore, in the conventional process method, since the via-hole is patterned in the photosensitive film having a considerably high thickness, it is difficult to realize fine patterning.

둘째, 상부 및 하부 배선을 수직으로 연결하는 플러그의 금속으로서 텅스텐을 사용할 경우 통상의 알루미늄에 비해 전기적인 비저항(Rs)이 높기 때문에 텅스텐 플러그를 채용한 금속 배선의 전기저항이 높아진다. 전류를 흘려주는 배선이 고저항일 경우 반도체장치의 전력 소비가 많아져 전류 수명을 단축하게 된다.Second, when tungsten is used as the metal of the plug connecting the upper and lower wirings vertically, the electrical resistivity (Rs) is higher than that of conventional aluminum, so that the electrical resistance of the metal wiring using the tungsten plug is increased. If the wiring through which the current flows is high, the power consumption of the semiconductor device increases, which shortens the current life.

셋째, 이러한 텅스텐 플러그의 단점을 개선하기 위해서 비저항이 작으며 반도체 소자의 성능 향상, 예를 들어 RC 지연시간 감소와 신뢰성 향상에 유리한 장점을 가지고 있는 금속 배선 재료로서 구리를 사용하는 방법이 제안되고 있는데, 구리가 알루미늄에 비해 낮은 온도에서 휘발성 화합물을 잘 생성하지 않아 식각하는데 어려움이 있다.Third, in order to improve the shortcomings of the tungsten plug, a method of using copper as a metal wiring material having a small specific resistance and having advantages in improving the performance of semiconductor devices, for example, reducing RC delay time and improving reliability, has been proposed. However, copper does not produce volatile compounds well at lower temperatures than aluminum, making it difficult to etch.

넷째, 다층 배선 제조 공정 순서는 대체로 금속배선 형성 →비아 형성 →텅스텐 플러그 형성 →금속배선 형성 등으로 공정순서가 진행되기때문에 그 공정 수가 많아져서 제조공정 비용이 증가할 뿐만 아니라 그 공정이 복잡해지며 칩의 수율도 저하된다.Fourth, the process order of the multilayer wiring manufacturing process is generally performed by forming the metal wiring → forming the via → forming the tungsten plug → forming the metal wiring, so that the number of processes increases and the manufacturing process cost increases and the process becomes complicated. The yield of is also lowered.

이러한 다층 배선 제조 공정의 단점을 개선하기 위해 최근에는 상감(damascene) 방식이 제안되고 있다. 이러한 상감 방법은 절연막 위에 증착된 금속층을 식각하여 금속 배선을 형성하는 기존의 공정 방식 대신에, 먼저 층간 절연막내에 금속 배선용 비아를 형성하고 그 홀내에 금속을 채워넣어 금속 배선을 형성하는 기술이다. 이와 같은 상감법에 의한 금속배선 제조공정은 금속 배선의 식각 공정을 실시하지 않아도 되기 때문에 구리배선 식각시 발생되는 문제를 해결할 수 있다.Recently, a damascene method has been proposed to improve the disadvantage of the multilayer wiring manufacturing process. This damascene method is a technique of forming a metal wiring by first forming a metal wiring via in an interlayer insulating film and filling a metal in the hole instead of the conventional process method of etching a metal layer deposited on the insulating film to form a metal wiring. Since the metal wiring manufacturing process by the damascene method does not have to perform the etching process of the metal wiring, it is possible to solve the problem generated during etching of the copper wiring.

또한, 복잡한 배선 공정의 단점을 해결하기 위해 개발된 이중 상감(dual damascene) 방식은 층간 절연막내에 비아와 금속 배선용 콘택홀을 동시에 새겨 넣은 후에 상기 비아와 콘택홀에 동시에 금속을 매립하여 플러그와 금속 배선을 동시에 완성하는 기술이다. 이러한 이중 상감 공정은 통상의 공정 방식에 비해 약 30%정도 감소된 공정 수를 갖는 것으로 알려져 있다.In addition, the dual damascene method developed to solve the drawbacks of the complicated wiring process simultaneously inserts the via and metal wiring contact holes into the interlayer insulating film, and then simultaneously fills the metal with the via and the contact holes to insert the plug and the metal wiring. It is a technique to complete at the same time. Such double damascene processes are known to have a process number that is reduced by about 30% compared to conventional process schemes.

그러므로, 최근에는 다층 배선 및 고집적 반도체장치의 경우 콘택플러그와 배선을 동시에 형성할 수 있는 이중 상감 공정이 사용되고 있지만, 아직까지 제조 공정상에서 해결해야하는 문제점이 많이 있다.Therefore, recently, in the case of a multilayer wiring and a highly integrated semiconductor device, a double damascene process capable of simultaneously forming a contact plug and a wiring is used, but there are still many problems to be solved in the manufacturing process.

본 발명의 목적은 금속배선 제조 공정시 감광막의 미세 패터닝을 위해 사용하는 유기성 반사방지막(organic anti-reflective coating layer)을 이용하므로써 플러그용 비아 및 금속 배선용 트렌치를 동시에 식각하여 금속 배선 패턴의 정밀도를 향상시킬 수 있는 반도체장치의 다층 금속배선 형성방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to improve the precision of the metal wiring pattern by simultaneously etching the plug via and the metal wiring trench by using an organic anti-reflective coating layer used for the fine patterning of the photosensitive film during the metal wiring manufacturing process The present invention provides a method of forming a multilayer metal wiring of a semiconductor device.

도 1a 내지 도 1j는 종래 기술에 따른 반도체장치의 다층 금속배선 형성방법을 순차적으로 설명하기 위한 공정 순서도,1A to 1J are process flowcharts for sequentially explaining a method of forming a multilayer metal wiring of a semiconductor device according to the prior art;

도 2a 내지 도 2l은 본 발명에 따른 반도체장치의 다층 금속배선 형성방법을 설명하기 위한 공정 순서도.2A to 2L are process flowcharts for explaining a method for forming a multilayer metal wiring of a semiconductor device according to the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

100 : 반도체기판의 하부구조물 104: 층간 절연막100: lower structure of the semiconductor substrate 104: interlayer insulating film

106 : 제 1감광막 패턴 107: 층간 절연막 단차106: first photosensitive film pattern 107: interlayer insulating film step

108 : 유기성 반사방지막 110' : 제 2감광막 패턴108: organic antireflection film 110 ': second photosensitive film pattern

112,112a : 비아 112b : 트렌치112,112a: Via 112b: trench

101,103,114 : 확산 방지막 102,116 : 금속101,103,114: diffusion barrier 102,116: metal

118: 상부 층간 절연막 p : 플러그118: upper interlayer insulating film p: plug

bl : 하부 금속배선bl: bottom metal wiring

tl : 상부 금속배선tl: upper metal wiring

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반도체장치의 다층 배선 제조 방법에있어서, 반도체 기판의 구조물에 하부 금속배선을 형성하는 단계와, 하부 금속 배선이 형성된 기판 전면에 평탄화된 층간 절연막을 형성하는 단계와, 기판 상부에 제 1감광막 패턴을 형성하는 단계와, CxFy를 활성화시킨 플라즈마로 제 1감광막 패턴 하부의 층간 절연막을 얇게 트렌치 식각하여 단차를 형성하는 단계와, 제 1감광막 패턴을 제거하고 결과물 전면에 유기성 반사방지막을 도포하는 단계와, 유기성 반사방지막 상부에 제 2감광막 패턴을 형성하는 단계와, CxFy를 활성화시킨 플라즈마로 제 2감광막 패턴에 맞추어 유기성 반사방지막과 층간 절연막을 식각하여 층간 절연막내에 비아 및 상부 배선용 트렌치를 동시에 형성하는 단계와, 비아 및 상부 배선용 트렌치가 형성된 층간 절연막에 금속을 매립하고 이를 연마하여 하부 금속배선과 연결되는 비아 플러그 및 상부 배선을 동시에 형성하는 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for manufacturing a multilayer wiring of a semiconductor device, the method comprising: forming a lower metal wiring on a structure of a semiconductor substrate, and forming a planarized interlayer insulating film on the entire surface of the substrate on which the lower metal wiring is formed. And forming a step by forming a first photoresist pattern on the substrate, thinly trench-etching the interlayer insulating layer under the first photoresist pattern with CxFy-activated plasma, and removing the first photoresist pattern and removing the entire surface of the resultant. Applying an organic anti-reflection film to the organic light-emitting layer, forming a second photoresist pattern on the organic anti-reflection film, and etching the organic anti-reflection film and the interlayer insulating film in accordance with the second photoresist film pattern using CxFy-activated plasma to etch vias in the interlayer insulating film. And simultaneously forming an upper wiring trench, and forming a via and an upper wiring trench at the same time. Embedding the metal in the interlayer insulating film and polishing the metal, thereby simultaneously forming a via plug and an upper wiring connected to the lower metal wiring.

본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 제 1감광막 패턴의 두께는 (비아 깊이+과도 식각 깊이)/[(감광막에 대한 층간 절연막의 식각비)×(유기성 반사방지막에 대한 층간 절연막 식각비)-1] 이상인 것이 바람직하다.In the manufacturing method of the present invention, the thickness of the first photoresist layer pattern is (via depth + transient etch depth) / [(etch ratio of interlayer insulation layer to photoresist layer) × (interlayer insulation layer etching ratio to organic antireflection film) -1 ] It is preferable that it is more than.

본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 제 1감광막 패턴 하부의 층간 절연막의 트렌치 식각 두께는 (비아 깊이+과도 식각 깊이)/[(유기성 반사방지막에 대한 층간 절연막의 식각비)-1] 인 것이 바람직하다.In the manufacturing method of the present invention, the trench etching thickness of the interlayer insulating film under the first photoresist pattern is preferably (via depth + transient etching depth) / [(etch ratio of interlayer insulating film to organic antireflection film) -1]. Do.

본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 제 2감광막 패턴에 맞추어 유기성 반사방지막과 층간 절연막을 식각하는 단계는, 제 2감광막에 대한 높은 식각비를 가지고 층간 절연막 표면이 드러날 때까지 유기성 반사방지막을 전면 식각하는 단계와, 층간 절연막의 트렌치에 매립된 유기성 반사방지막이 식각될때까지 식각 공정을 진행하여 층간 절연막 내에 비아를 형성함과 동시에 유기성 반사방지막을 제거하는 단계와, 식각 공정을 계속 진행하여 층간 절연막내에 하부 금속배선 표면이 드러나는 비아와 상부 배선용 트렌치를 형성하는 단계를 포함한다.In the manufacturing method of the present invention, the step of etching the organic anti-reflection film and the interlayer insulating film in accordance with the second photoresist pattern, has a high etch ratio with respect to the second photoresist and the entire surface of the organic anti-reflection film until the surface of the interlayer insulating film is exposed Performing an etching process until the organic antireflective film embedded in the trench of the interlayer insulating film is etched to form a via in the interlayer insulating film, and removing the organic antireflective film, and continuing the etching process in the interlayer insulating film. And forming a via and a top trench to reveal the bottom metallization surface.

본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 제 1감광막 패턴은 하부 및 상부 금속배선을 연결하는 비아 플러그 영역을 정의하고, 제 2감광막 패턴은 비아 플러그 및 상부 금속 배선이 형성되지 않는 영역을 정의한다.In the manufacturing method of the present invention, the first photoresist pattern defines a via plug region connecting the lower and upper metal interconnections, and the second photoresist pattern defines a region where the via plug and the upper metal interconnection are not formed.

본 발명의 기술적 원리에 따르면, 유기성 반사방지막은 분자 구조가 감광막과 비슷하여 감광막과의 접착성이 좋으면서도 적당하게 경화처리를 하면 감광막과 섞이지 않고, 유동성이 좋아 평탄화 특성이 좋을 뿐만 아니라, 별도의 감광제가 없어 빛과 반응하지 않기 때문에 감광막 패터닝 공정시 감광막은 노광 및 현상 공정에 의해 감광막 패턴을 형성할 수 있지만 유기성 반사방지막의 경우에는 빛이 조사되어도 반응이 일어나지 않아 패턴을 형성할 수 없다. 또, 유기성 반사방지막 위에 감광막을 도포시킨 후에 감광막을 패터닝하면 그 패터닝 특성이 좋아질뿐만 아니라 공정 마진을 높일 수 있다.According to the technical principle of the present invention, the organic antireflection film has a molecular structure similar to that of the photoresist film, so that the adhesion with the photoresist film is appropriate and the curing process is not mixed with the photoresist film. In the photoresist patterning process, the photoresist may form a photoresist pattern by an exposure and development process because there is no photoresist and does not react with light. However, in the case of an organic antireflection film, the reaction does not occur even when light is irradiated, and thus a pattern cannot be formed. In addition, patterning the photoresist film after applying the photoresist film on the organic antireflection film not only improves the patterning characteristics but also increases the process margin.

그러므로, 본 발명은 금속배선 제조 공정시 유기성 반사방지막을 이용하되, 금속 배선용 트렌치가 형성될 영역을 미리 얇은 트렌치 식각하여 층간 절연막에 단차를 형성한 후에 유기성 반사방지막을 도포하여 감광막 패터닝을 용이하게 하고, 트렌치 식각이 이루어지는 영역에 남아 있는 유기성 반사방지막을 하드 마스크로서 이용하여 층간 절연막내에 플러그용 비아 및 금속 배선용 트렌치를 동시에 식각할 수 있어 이중 상감 방식을 효과적으로 구현할 수 있으며 금속배선 패턴의 정밀도를향상시킬 수 있다.Therefore, the present invention uses an organic antireflection film during the metallization manufacturing process, but forms a step in the interlayer insulating film by etching a thin trench in advance to form a trench for metal wiring, and then, an organic antireflection film is applied to facilitate photoresist patterning. By using the organic anti-reflection film remaining in the region where the trench is etched as a hard mask, the plug via and the metal wiring trench can be simultaneously etched in the interlayer insulating film so that the double damascene method can be effectively implemented and the accuracy of the metal wiring pattern can be improved. Can be.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 금속배선 형성방법에 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred method for forming a metal wiring of the present invention.

도 2a 내지 도 2l은 본 발명에 따른 반도체장치의 다층 금속배선 형성방법을 설명하기 위한 공정 순서도이다.2A to 2L are process flowcharts for explaining a method for forming a multilayer metal wiring of a semiconductor device according to the present invention.

우선, 도 2a에 도시된 바와 같이, 반도체기판에 형성된 반도체 소자등의 하부 구조물(100) 표면에 소정의 배선 공정을 거쳐 Ti과 TiN 등의 제 1확산 방지막(101)과, 금속으로서 Al층(102)과, Ti과 TiN 등의 제 2확산 방지막(103)을 순차 적층하고 사진 및 식각 공정을 진행하여 이들 확산 방지막(101,103)과 Al층(102)을 패터닝해서 하부 금속배선(bl)을 형성한다.First, as shown in FIG. 2A, the first diffusion barrier film 101 such as Ti and TiN and the Al layer as a metal are subjected to a predetermined wiring process on the surface of the lower structure 100 such as a semiconductor element formed on the semiconductor substrate. 102 and second diffusion barrier films 103 such as Ti and TiN are sequentially stacked and photographed and etched to form the diffusion barrier films 101 and 103 and the Al layer 102 to form a lower metal interconnect bl. do.

도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 하부 금속배선(bl)과 이후 형성될 상부 배선을 전기적으로 층간 절연하기 위한 층간 절연막(104)을 증착한 후에 연마 공정으로 층간 절연막(104) 표면을 평탄하게 연마한다. 단, 하부 금속 배선(bl)이 상감 공정에 의해 형성될 경우에는 이미 결과물 표면이 평탄화된 상태이므로 층간 절연막(104)의 연마 공정은 생략할 수 있다. 여기서, 하부 금속배선(bl) 위의 층간 절연막(104)의 두께는 (비아 깊이) + (상부 금속배선 높이)로 결정한다.As shown in FIG. 2B, the surface of the interlayer insulating film 104 is smoothly polished by a polishing process after depositing an interlayer insulating film 104 for electrically insulating the lower metal wiring bl and the upper wiring to be formed later. do. However, when the lower metal wiring bl is formed by the damascene process, the polishing of the interlayer insulating film 104 may be omitted since the resultant surface is already flattened. Here, the thickness of the interlayer insulating film 104 on the lower metal wiring bl is determined as (via depth) + (upper metal wiring height).

그 다음, 도 2c에 도시된 바와 같이, 층간 절연막(104) 상부에 감광막 도포,노광 및 현상 등의 사진 공정으로 제 1감광막 패턴(106)을 형성하되, 그 두께(t1)는 (비아 깊이+과도 식각 깊이)/[(감광막에 대한 층간 절연막의 식각비)×(유기성반사방지막에 대한 층간 절연막 식각비)-1] 이상으로 한다.Next, as shown in FIG. 2C, the first photoresist layer pattern 106 is formed on the interlayer insulating layer 104 by a photolithography process such as coating, exposure, and development, and the thickness t1 is (via depth + Transient etching depth) / [(etch ratio of interlayer insulating film to photoresist film) × (interlayer insulating film etching ratio to organic antireflection film) -1] or more.

이때, 제 1감광막 패턴(106)은 이후 형성될 상부 금속배선이 만들어지는 영역에서 비아가 형성되는 영역을 제외한 영역, 즉 트렌치 식각이 진행되지 않는 영역에는 감광막이 존재하지 않도록 한다.In this case, the first photoresist layer pattern 106 may prevent the photoresist layer from being formed in a region other than the region where the via is formed, that is, the region where the trench etching is not performed, in the region where the upper metal wiring is to be formed.

이어서, 도 2c에 도시된 바와 같이, CxFy를 활성화시킨 플라즈마로 제 1감광막 패턴(106) 하부의 층간 절연막(104)을 얇게 트렌치 식각하여 단차(107)를 형성한다. 여기서, 층간 절연막(104)의 트렌치 식각 두께(t2)는 (비아 깊이+과도 식각 깊이)/[(유기성 반사방지막에 대한 층간 절연막의 식각비)-1] 로 한다.Subsequently, as shown in FIG. 2C, a step 107 is formed by thinly etching the interlayer insulating layer 104 under the first photoresist layer pattern 106 with CxFy-activated plasma. Here, the trench etching thickness t2 of the interlayer insulating film 104 is (via depth + transient etching depth) / [(etch ratio of the interlayer insulating film to organic antireflection film) -1].

그리고, 트렌치 식각한 후에 제 1감광막 패턴(106)을 제거한다.After the trench is etched, the first photoresist pattern 106 is removed.

그 다음, 도 2d에 도시된 바와 같이, 기판 전면에 회전 코팅(spin coating) 방식에 의해 유기성 반사방지막(108)을 도포한다. 그러면, 유기성 반사방지막(108)은 양호한 유동성 특성과 상기 층간 절연막의 단차(107)가 얕기 때문에 그 표면이 평탄화된 상태로 된다.Next, as shown in FIG. 2D, an organic antireflection film 108 is coated on the entire surface of the substrate by a spin coating method. Then, the organic antireflection film 108 is in a state where the surface thereof is flattened because of good fluidity characteristics and the step 107 of the interlayer insulating film is shallow.

그리고, 도 2e 및 도 2f에 도시된 바와 같이, 상기 유기성 반사방지막(108)상부에 감광막(110)을 두껍게 도포하고 노광 및 현상 등의 사진 공정을 진행하여 제 2감광막 패턴(110')을 형성한다. 여기서, 제 2감광막 패턴(110')은 상부 금속배선이 만들어지는 전체 영역, 즉 비아 플러그 및 상부 금속 배선이 형성되지 않는 영역에 감광막이 존재하지 않도록 한다. 이때, 유기성 반사방지막(108)은 빛과 반응하지 않기 때문에 그대로 남아 있는다.2E and 2F, the second photoresist layer pattern 110 ′ is formed by applying a thick photoresist layer 110 on the organic antireflection layer 108 and performing a photo process such as exposure and development. do. Here, the second photoresist layer pattern 110 ′ prevents the photoresist layer from being present in the entire region where the upper metal wiring is made, that is, the region where the via plug and the upper metal wiring are not formed. At this time, the organic antireflection film 108 is left as it does not react with the light.

그리고, 도 2g 내지 도 I를 참조하여 본 발명에 따라 플러그용 비아 및 금속배선용 트렌치를 동시에 식각하는 이중 상감 공정을 진행한다. 즉, CxFy를 활성화시킨 플라즈마로 제 2감광막 패턴(110')에 맞추어 유기성 반사방지막(108)과 층간 절연막(104)을 식각하여 층간 절연막내에 비아 및 상부 배선용 트렌치를 동시에 형성하도록 한다.In addition, the dual damascene process of simultaneously etching the plug via and the metal wiring trench is performed according to the present invention with reference to FIGS. That is, the organic antireflection film 108 and the interlayer insulating film 104 are etched with the CxFy-activated plasma in accordance with the second photoresist layer pattern 110 ′ to simultaneously form the via and the upper wiring trench in the interlayer insulating film.

이에, 도 2g에 도시된 바와 같이, CxFy를 활성화시킨 플라즈마로 식각을 진행하는데, 제 2감광막 패턴(110')에 대한 높은 식각비를 가지고 층간 절연막(104) 표면이 드러날 때까지 유기성 반사방지막(108')을 전면 식각한다. 이로 인해, 트랜치 식각이 이루어질 영역의 층간 절연막(104) 부위에는 유기성 반사방지막 패턴(108')이 남게 된다.Accordingly, as shown in FIG. 2G, etching is performed using a plasma activated with CxFy, and the organic anti-reflective coating layer (II) is exposed until the surface of the interlayer insulating film 104 is exposed with a high etching ratio with respect to the second photoresist pattern 110 ′. 108 '). As a result, the organic anti-reflection film pattern 108 ′ remains in the interlayer insulating film 104 in the region where the trench is to be etched.

그 다음, 도 2h에 도시된 바와 같이, 층간 절연막(104)의 트렌치에 매립된 유기성 반사방지막(108')이 식각될때까지 식각 공정을 진행하여 층간 절연막(104) 내에 비아(112)를 형성함과 동시에 유기성 반사방지막(108')을 제거한다. 이때, 상부 금속배선 영역의 트렌치 부위의 층간 절연막은 유기성 반사방지막(108')이 하드 마스크로 작용하기 때문에 식각되지 않지만, 나머지 층간 절연막은 식각이 잘 되어 식각량이 많아진다.Next, as shown in FIG. 2H, an etching process is performed until the organic antireflection film 108 ′ embedded in the trench of the interlayer insulating film 104 is etched to form the vias 112 in the interlayer insulating film 104. At the same time, the organic antireflection film 108 'is removed. At this time, the interlayer insulating film in the trench portion of the upper metal wiring region is not etched because the organic antireflection film 108 'acts as a hard mask, but the remaining interlayer insulating film is well etched to increase the amount of etching.

그 다음, 도 2i에 도시된 바와 같이, 식각 공정을 계속 진행하여 층간 절연막내에 하부 금속배선(bl) 표면이 드러나는 비아홀(112a)과 상부 배선용 트렌치(112b)를 동시에 형성한다. 이때, 유기성 반사방지막(108')이 완전히 제거된 이후부터는 층간 절연막내에 트렌치 식각(112b)과 하부 금속배선(bl) 표면까지의 비아(112a) 식각이 동시에 이루어진다. 즉, 층간 절연막 식각 깊이가 동일하게된다.Next, as shown in FIG. 2I, the etching process is continued to simultaneously form the via hole 112a and the upper wiring trench 112b in which the lower metal wiring bl surface is exposed in the interlayer insulating film. At this time, after the organic anti-reflection film 108 ′ is completely removed, the via 112a and the via 112a to the surface of the lower metal wiring bl are etched simultaneously in the interlayer insulating film. That is, the interlayer insulating film etching depth is the same.

이어서, 도 2j에 도시된 바와 같이, 플러그용 비아(112a) 및 상부 배선용 트렌치(112b)가 형성된 층간 절연막(104)에 제 3확산 방지막(114)으로서 Ti/TiN을 증착하고, 그 위에 금속(116)으로서 Al 또는 Cu를 충분히 매립한다. 그리고, 도면에 도시하지는 않았지만 금속층(116) 상부에 확산방지막을 추가 적층할 수 있다.Subsequently, as shown in FIG. 2J, Ti / TiN is deposited as the third anti-diffusion film 114 on the interlayer insulating film 104 on which the plug via 112a and the upper wiring trench 112b are formed. 116) sufficiently fills Al or Cu. Although not shown in the drawings, a diffusion barrier layer may be further stacked on the metal layer 116.

그 다음, 도 2k에 도시된 바와 같이, 비아(112a) 및 트렌치(112b)외 층간 절연막 표면에 존재하는 금속층(116) 및 확산 방지막(114,116)들을 모두 제거하면서 표면 전체를 평탄화하기 위하여 CMP 또는 플라즈마에 의한 전면 식각법으로 연마 공정을 실시한다. 이로 인해, 층간 절연막(104)의 비아(112a) 및 트렌치(112b)에만 식각된 Ti/TiN의 확산 방지막(114')과 Al 또는 Cu의 금속(116')이 매립되어 하부 금속배선(bl)과 연결되는 플러그(p) 및 상부 금속배선(tl)이 동시에 형성된다.Next, as shown in FIG. 2K, CMP or plasma is used to planarize the entire surface while removing all of the metal layer 116 and the diffusion barrier layers 114 and 116 that exist on the interlayer insulating film surface other than the vias 112a and the trench 112b. The polishing process is performed by the front surface etching method by. As a result, the diffusion barrier film 114 'of Ti / TiN etched only in the vias 112a and the trenches 112b of the interlayer insulating film 104 and the metal 116' of Al or Cu are buried to form a lower metal wiring bl. The plug p and the upper metal wiring tl connected to each other are formed at the same time.

이어서, 도 2l에 도시된 바와 같이, 상기 결과물에 이후 형성될 금속 배선과절연하기 위해서 상부의 층간 절연막(118)을 증착한 후에 그 표면을 평탄화한다.Subsequently, as shown in FIG. 2L, the surface of the resulting interlayer insulating film 118 is deposited to insulate the metal wiring to be formed later, and then the surface thereof is planarized.

이와 같은 배선 공정을 반복 실시하면 본 발명에 따른 반도체장치의 다층 배선을 제조할 수 있다.By repeating such a wiring process, a multilayer wiring of the semiconductor device according to the present invention can be manufactured.

그러므로, 본 발명은 금속 배선용 트렌치가 형성될 영역을 미리 얇은 트렌치 식각하여 층간 절연막에 단차를 형성한 후에 유기성 반사방지막을 도포하여 감광막 패터닝을 용이하게 하고, 트렌치 식각이 이루어지는 영역에 남아 있는 유기성 반사방지막을 하드 마스크로서 이용하여 층간 절연막내에 플러그용 비아 및 금속 배선용 트렌치를 동시에 식각할 수 있다.Therefore, the present invention facilitates photosensitive film patterning by applying an organic anti-reflective film after forming a step in the interlayer insulating film by etching a thin trench in advance to form a trench for metal wiring, and an organic anti-reflective film remaining in the region where the trench is etched. Is used as a hard mask to simultaneously etch the plug via and the metal wiring trench in the interlayer insulating film.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체장치의 다층 금속배선 형성방법은 다음과 같은 효과를 가진다.As described above, the method of forming the multi-layered metal wiring of the semiconductor device according to the present invention has the following effects.

첫째, 본 발명은 플러그용 비아 및 상부 배선용 트렌치 식각을 동시에 진행할 수 있기 때문에 기존 배선 공정에 비해 제조 공정 수를 크게 줄일 수 있어 제조공정의 수율을 높일 수 있으며 비용 절감에 효과가 크다.First, the present invention can proceed with the etching of the plug via and the upper wiring trench at the same time can significantly reduce the number of manufacturing process compared to the existing wiring process can increase the yield of the manufacturing process and is effective in reducing the cost.

둘째, 본 발명은 0.18㎛이하의 고집적 반도체기술에 적용할 경우 유기 반사방지막의 사용으로 인해 감광막 패터닝시 하부 패턴들과의 미스얼라인(misalign)을 최소화하고 양호한 단면을 갖는 감광막 패턴을 구현할 수 있다. 즉, 노광 및 현상에 의한 감광막 패터닝은 평판 위에서 진행할 때 더 나은 결과를 나타내며 공정 마진도 확보할 수 있다. 본 발명의 방법은 기본적인 감광막 패터닝이 평판위에서 이루어지기 때문에 감광막 패턴의 단면이 양호하며 상/부의 패턴 사이의 불일치도 최소화할 수 있다.Second, when applied to a highly integrated semiconductor technology of 0.18㎛ or less, the use of an organic anti-reflection film can minimize misalignment with the lower patterns when patterning the photoresist and can realize a photoresist pattern having a good cross section. . That is, the photoresist patterning by exposure and development shows better results when proceeding on a flat plate and also secures process margins. In the method of the present invention, since the basic photoresist patterning is performed on the flat plate, the cross section of the photoresist pattern is good and the mismatch between the patterns of the upper part and the part can be minimized.

셋째, 본 발명은 통상적인 상감기법과 비교해서도 대부분의 공정이 감광막 패터닝에 집중되어 있어 제조 공정을 효율적으로 진행할 수 있다. 즉, 일반적인 감광막의 패터닝은 넓은 배선 형태로 패터닝하는 것보다 좁은 비아 형태로 정확하게 패터닝하는 것이 어렵기 때문에 본 발명의 제조 공정에서는 감광막 패터닝시 비아 형태의 패터닝을 배선 위주의 트렌치 패터닝으로 전환하여 작업의 효율성과 공정 마진을 높인다.Third, compared to the conventional damascene method, most of the present invention concentrates on the photoresist patterning, so that the manufacturing process can be efficiently performed. That is, since general patterning of the photoresist film is difficult to accurately pattern in narrow via form rather than patterning in a wide wiring form, in the manufacturing process of the present invention, the via-type patterning is converted to trench-oriented trench patterning during photoresist patterning. Increase efficiency and process margins

넷째, 본 발명은 감광막 패터닝시 유기반사 방지막에 의해 그 두께를 낮출수 있기 때문에 감광막 패터닝의 난이도를 낮출 수 있는 이점이 있다.Fourth, the present invention has the advantage of lowering the difficulty of photosensitive film patterning because the thickness can be reduced by the organic anti-reflection film during the photosensitive film patterning.

Claims (6)

반도체장치의 다층 배선 제조 방법에 있어서,In the multilayer wiring manufacturing method of a semiconductor device, 반도체 기판의 구조물에 하부 금속배선을 형성하는 단계;Forming a lower metallization on the structure of the semiconductor substrate; 상기 하부 금속 배선이 형성된 기판 전면에 평탄화된 층간 절연막을 형성하는 단계;Forming a planarized interlayer insulating film on an entire surface of the substrate on which the lower metal wiring is formed; 상기 기판 상부에 제 1감광막 패턴을 형성하는 단계;Forming a first photoresist pattern on the substrate; CxFy를 활성화시킨 플라즈마로 제 1감광막 패턴 하부의 층간 절연막을 얇게 트렌치 식각하여 단차를 형성하는 단계;Forming a step by thinly etching the interlayer insulating film under the first photoresist pattern with plasma activated CxFy; 상기 제 1감광막 패턴을 제거하고 결과물 전면에 유기성 반사방지막을 도포하는 단계;Removing the first photoresist pattern and applying an organic antireflection film to the entire surface of the resultant; 상기 유기성 반사방지막 상부에 제 2감광막 패턴을 형성하는 단계;Forming a second photoresist pattern on the organic antireflection film; CxFy를 활성화시킨 플라즈마로 제 2감광막 패턴에 맞추어 유기성 반사방지막과 층간 절연막을 식각하여 상기 층간 절연막내에 비아 및 상부 배선용 트렌치를 동시에 형성하는 단계; 및Etching the organic anti-reflective film and the interlayer insulating film in accordance with the second photoresist pattern with a CxFy-activated plasma to simultaneously form vias and upper wiring trenches in the interlayer insulating film; And 상기 비아 및 상부 배선용 트렌치가 형성된 층간 절연막에 금속을 매립하고 이를 연마하여 하부 금속배선과 연결되는 비아 플러그 및 상부 배선을 동시에 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체장치의 다층 금속배선 형성방법.Embedding a metal in the interlayer insulating film on which the via and upper wiring trenches are formed and polishing the same, thereby forming a via plug and an upper wiring connected to the lower metal wiring at the same time. . 제 1항에 있어서, 상기 제 1감광막 패턴의 두께는 (비아 깊이+과도 식각 깊이)/[(감광막에 대한 층간 절연막의 식각비)×(유기성 반사방지막에 대한 층간 절연막 식각비)-1] 이상인 것을 특징으로 하는 반도체장치의 다층 금속배선 형성방법.The thickness of the first photoresist layer pattern is greater than or equal to (via depth + transient etching depth) / [(etch ratio of interlayer insulation layer to photoresist layer) × (interlayer insulation layer etching ratio to organic antireflection film) -1]. A method for forming a multilayer metal wiring in a semiconductor device, characterized in that the. 제 1항에 있어서, 상기 제 1감광막 패턴 하부의 층간 절연막의 트렌치 식각 두께는 (비아 깊이+과도 식각 깊이)/[(유기성 반사방지막에 대한 층간 절연막의 식각비)-1] 인 것을 특징으로 하는 반도체장치의 다층 금속배선 형성방법.The method of claim 1, wherein the trench etch thickness of the interlayer insulating layer under the first photoresist pattern is (via depth + transient etching depth) / [(etch ratio of the interlayer insulating film to the organic antireflection film) -1]. A method of forming a multi-layer metal wiring in a semiconductor device. 제 1항에 있어서, 상기 제 2감광막 패턴에 맞추어 유기성 반사방지막과 층간 절연막을 식각하는 단계는,The method of claim 1, wherein the etching of the organic anti-reflection film and the interlayer insulating film in accordance with the second photoresist film pattern comprises: 상기 제 2감광막에 대한 높은 식각비를 가지고 층간 절연막 표면이 드러날 때까지 유기성 반사방지막을 전면 식각하는 단계;Etching the entire surface of the organic antireflection film until the surface of the interlayer insulating film is exposed with a high etching ratio with respect to the second photoresist film; 상기 층간 절연막의 트렌치에 매립된 유기성 반사방지막이 식각될때까지 식각 공정을 진행하여 층간 절연막 내에 비아를 형성함과 동시에 유기성 반사방지막을 제거하는 단계; 및Performing an etching process until the organic antireflection film embedded in the trench of the interlayer insulating film is etched to form a via in the interlayer insulating film and to remove the organic antireflection film; And 상기 식각 공정을 계속 진행하여 상기 층간 절연막내에 하부 금속배선 표면이 드러나는 비아와 상부 배선용 트렌치를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 다층 금속배선 형성방법.And continuing the etching process to form a via and an upper wiring trench in which the lower metal wiring surface is exposed in the interlayer insulating film. 제 1항에 있어서, 상기 제 1감광막 패턴은 하부 및 상부 금속배선을 연결하는 비아 플러그 영역을 정의하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 다층 금속배선 형성방법.The method of claim 1, wherein the first photoresist layer pattern defines a via plug region connecting lower and upper metal interconnections. 제 1항에 있어서, 상기 제 2감광막 패턴은 비아 플러그 및 상부 금속 배선이 형성되지 않는 영역을 정의하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 다층 금속배선 형성방법.The method of claim 1, wherein the second photoresist pattern defines a region in which a via plug and an upper metal wiring are not formed.
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