KR100403351B1 - 듀얼 다마신 공정에서의 식각 모니터링 박스 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 듀얼 다마신 공정에서 다층 구조로 이루어진 층간절연막의 손실 정도를 신뢰성있게 측정할 수 있는 식각 모니터링 박스(Etch Monitoring Box) 형성방법을 개시하며, 개시된 본 발명의 식각 모니터링 박스 형성방법은, 듀얼 다마신 공정에서 금속막의 연마후에 다층 구조로 이루어진 층간절연막의 손실 정도를 측정하기 위한 식각 모니터링 박스 형성방법에 있어서, 하층의 금속배선이 형성된 반도체 기판 상에 식각방지막과 저유전율막이 순차로 적층된 다층 구조의 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 층간절연막을 식각하여 상기 하층의 금속배선을 노출시키는 콘택홀을 형성하는 단계; 상기 콘택홀이 매립되도록 단일층의 절연막을 증착하는 단계; 및 상기 절연막과 다층 구조의 층간절연막간의 단차가 제거되도록 상기 절연막을 연마하는 단계를 포함한다. 여기서, 상기 절연막은 저유전율(low-k) 물질, USG, TEOS, FSG, SOG 및 HSQ로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어진다.

Description

듀얼 다마신 공정에서의 식각 모니터링 박스 형성방법{METHOD FOR FORMING ETCH MONITORING BOX IN DUAL DAMASCENE PROCESS}

본 발명은 듀얼 다마신 공정을 이용한 금속배선 형성방법에 관한 것으로, 특히, 금속막의 연마후에 다층 구조로 이루어진 층간절연막의 손실 정도를 신뢰성있게 측정하기 위한 식각 모니터링 박스 형성방법에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 금속배선은 RIE(Reaction Ion Etching) 공정, 즉, 금속막 상에 마스크 패턴을 형성한 후, RIE 공정으로 상기 금속막을 직접 식각하는 방법으로 형성되어져 왔다. 그런데, 상기 RIE 공정을 이용한 방법은 금속배선의 임계 치수(critical dimension)가 감소되고 있는 추세에서, 그 전기적 특성의 확보가 어려운 문제점이 있는 바, 새로운 방식의 금속배선 공정이 필요하게 되었다.

그 하나의 방법으로서 다마신(Damascene) 공정이 제안되었다. 상기 다마신 공정은 RIE 공정에 의한 금속배선 형성방법 보다 상대적으로 우수한 전기적 특성을 얻을 수 있기 때문에 반도체 소자의 고집적화 추세에서 그 이용이 확대되리라 예상된다. 특히, 금속배선의 재질이 기존의 알루미늄에서 텅스텐 또는 구리로 변경되는 추세에서, 기존의 식각 공정으로는 구리막의 식각 매우 어렵기 때문에 상기 다마신 공정의 적용은 필수가 될 것으로 예상된다.

이러한 다마신 공정을 이용한 다층금속배선 형성방법을 간략하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 소정의 하부패턴들이 형성된 반도체 기판 상에 확산방지막을 포함한 하층의 구리 금속배선을 형성한 상태에서, 상기 반도체 기판의 전 영역 상에 제1층간절연막을 형성하고, 그런다음, 상기 구리 금속배선이 노출되도록 제1층간절연막에 대한 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 수행한다.

다음으로, 상기 제1층간절연막 상에 제1식각정지막, 제1절연막, 제2식각정지막 및 제2절연막의 다층 구조로 이루어진 제2층간절연막을 형성한 상태에서, 2회의 마스킹 및 식각 공정을 수행하여 상기 제1층간절연막 내에 하층의 구리 금속배선을노출시키는 비아홀을 포함한 상층의 금속배선 형성 영역을 한정하는 트렌치를 형성한다. 여기서, 상기 제1 및 제2식각정지막은 통상 실리콘질화막으로 형성되며, 상기 제1 및 제2절연막은 통상 저유전율(low-k) 물질로 형성된다.

그 다음, 상기 비아홀 및 트렌치 표면에 확산방지막을 증착하고, 이어서, 상기 비아홀 및 트렌치 내에 구리막을 증착한 후, 이에 대한 CMP를 수행하여 상층의 구리 금속배선을 형성한다.

여기서, 상기 상층의 구리 금속배선을 형성하기 위한 CMP시에는 필연적으로 층간절연막의 손실이 발생하게 된다. 따라서, 균일한 공정 유지를 위해서는 상기 층간절연막의 손실 정도를 정확하게 측정하는 것이 필수적이다.

그러나, 듀얼 다마신 공정에 적용되는 층간절연막은 저유전율 물질과 실리콘질화막의 다층 구조로 구성되기 때문에, 이렇게 다층으로 구성된 층간절연막의 경우, 엘립소미터(ellipsometer)와 같은 광학 측정장비로는 그 두께 측정에 대한 정확도가 떨어져서 그 값을 신뢰할 수 없고, 그래서, 다층배선 구조에서 다마신 공정에 따른 층간절연막의 두께 균일도를 유지하는데 어려움이 있다.

또한, 최근에는 하층 및 상층 금속배선들간의 저항 측정을 통해 층간절연막의 두께를 간접적으로 측정하거나, 또는, 소나(sonar) 방식의 측정장비를 사용하여 층간절연막의 두께를 직접적으로 측정하기도 하는데, 전자의 방법은 정확한 값을 얻지 못함은 물론 재현성이 떨어진다는 단점이 있고, 후자의 방법은 측정 장비의 가격이 매우 비싸다는 단점이 있는 바, 실질적으로 그 이용에 어려움이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 다층 구조의 층간절연막 두께를 신뢰성있게 모니터링할 수 있는 듀얼 다마신 공정에서의 식각 모니터링 박스(Etch monitoring Box) 형성방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 듀얼 다마신 공정에서의 다층 구조의 층간절연막을 도시한 단면도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 형성된 듀얼 다마신 공정에서의 식각 모니터링 박스를 도시한 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

11 : 반도체 기판 12 : 제1층간절연막

13 : 확산방지막 14 : 구리 금속배선

15 : 제2층간절연막 15a : 제1식각정지막

15b : 제1절연막 15c : 제2식각정지막

15d : 제2절연막 16 : 절연막

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 듀얼 다마신 공정에서의 식각 모니터링 박스 형성방법은, 듀얼 다마신 공정에서 금속막의 연마후에 다층 구조로 이루어진 층간절연막의 손실 정도를 측정하기 위한 식각 모니터링 박스 형성방법에 있어서, 하층의 금속배선이 형성된 반도체 기판 상에 식각방지막과 저유전율막이 순차로 적층된 다층 구조의 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 층간절연막을 식각하여 상기 하층의 금속배선을 노출시키는 콘택홀을 형성하는 단계; 상기 콘택홀이 매립되도록 단일층의 절연막을 증착하는 단계; 및 상기 절연막과 다층 구조의 층간절연막간의 단차가 제거되도록 상기 절연막을 연마하는 단계를 포함하며, 여기서, 상기 절연막은 저유전율(low-k) 물질, USG, TEOS, FSG, SOG 및 HSQ로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어진다.

본 발명에 따르면, 실질적인 듀얼 다마신 공정을 진행하기 전에 다층 구조로 이루어진 층간절연막의 일부분을 식각한 후, 식각 부분에 단일층의 절연막을 매립시키고, 아울러, CMP를 통해 상기 절연막과 다층 층간절연막간의 표면 단차를 제거함으로써, 상기 단일 절연막의 두께 측정을 통해 다층 층간절연막의 두께를 신뢰성있게 측정할 수 있다.

(실시예)

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하도록 한다.

전술한 바와 같이, 종래의 듀얼 다마신 공정은 다층 구조의 층간절연막을 형성하는 공정과, 상기 층간절연막의 식각을 통해 비아홀 및 트렌치 형성하는 공정, 상기 비아홀 및 트렌치를 매립하도록 금속막을 증착하는 공정, 및 상기 금속막의 CMP하는 공정의 순으로 진행된다.

여기서, 상기 금속막의 CMP시에는 필연적으로 층간절연막의 식각 손실이 발생하게 되는데, 본 발명의 이러한 층간절연막의 식각 손실 정도를 정확하게 측정하기 위해 다음과 같은 방법으로 식각 모니터링 박스를 형성한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 형성된 듀얼 다마신 공정에서의 식각 모니터링 박스를 도시한 단면도로서, 이를 참조하여 그 형성방법을 설명하도록 한다.

먼저, 반도체 기판(11) 상에 제1층간절연막(12)과 확산방지막(13)을 구비한 하층의 구리 금속배선(14)을 형성한 상태에서, 상기 반도체 기판(1)의 전 영역 상에 공지의 듀얼 다마신 공정에 따라 제1식각정지막(15a), 제1절연막(15b), 제2식각정지막(15c) 및 제2절연막(15d)을 차례로 형성하여 다층 구조의 제2층간절연막(15)을 형성한다.

여기서, 상기 하층의 구리 금속배선(14)은 실제 셀 영역에 형성된 것이 아니며, 식각 모니터링 박스의 형성을 위해서, 예컨데, 다이(die) 내의 특정 영역이나 웨이퍼의 스크라이브 라인 영역에 형성시킨 더미(dummy) 금속배선이다. 따라서, 도2에 도시된 다층 구조의 제2층간절연막(15)은 실제 상층의 구리 금속배선이 형성될 기판 영역이 아닌, 식각 모니터링 박스 형성 영역에 도포된 부분을 도시한 것으로 이해될 수 있다.

계속해서, 실제 듀얼 다마신 공정의 경우에는 상기 제2층간절연막(15)에 대한 2회의 마스킹 및 식각 공정을 수행하여 비아홀 및 트렌치를 형성하지만, 본 발명의 경우에는 상기 비아홀 및 트렌치의 형성 이전에, 식각 모니터링 박스 형성 영역의 제2층간절연막 부분을 식각하여 더미로 형성된 상기 하층의 금속배선(14)을 노출시키는 콘택홀을 형성한다. 그런다음, 상기 콘택홀이 매립되도록 결과물 상에 단일층의 절연막(16)을 증착한다. 여기서, 상기 절연막(16)은 저유전율(low-k)의 물질로 형성하거나, 또는, USG, TEOS, FSG, SOG 및 HSQ 중에서 어느 하나로 형성한다.

이어서, 상기 절연막(16)과 다층 구조로 이루어진 제2층간절연막(15)간의 단차가 제거되도록 상기 절연막(16)을 CMP 공정으로 연마하고, 이 결과로, 본 발명의 식각 모니터링 박스를 완성한다.

전술한 바와 같은 본 방법으로 식각 모니터링 박스를 형성하게 되면, 단일층의 절연막과 다층의 제2층간절연막이 동일한 두께를 갖는 것으로 인해, 상기 단일층의 절연막 두께를 측정하는 것으로 상기 다층의 제2층간절연막의 두께를 유추할 수 있고, 이때, 상기 단일층의 절연막은 기존의 광학 측정장비를 이용해서 그 두께를 용이하고, 신뢰성있게 측정할 수 있는 바, 결국, 후속하는 듀얼 다마신 공정에서 금속막의 CMP에 의한 제2층간절연막의 손실이 발생되었을 경우, 상기 절연막의두께 측정을 통해서 제2층간절연막의 손상 정도를 용이하고도 신뢰성있게 측정할 수 있게 된다.

이상에서와 같이, 본 발명은 듀얼 다마신 공정에서의 층간절연막의 손상 정도를 측정할 수 있는 식각 모니터링 박스를 형성해 줌으로써, 기존의 측정장비를 이용하면서도 상기 층간절연막의 손상 정도를 신뢰성있게 측정할 수 있으며, 이에 따라, 균일한 공정 유지가 가능하여 제조수율을 향상시킬 수 있음은 물론, 소자의 신뢰성도 향상시킬 수 있다.

기타, 본 발명은 그 요지가 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.

Claims (2)

1. 듀얼 다마신 공정에서 금속막의 연마후에 다층 구조로 이루어진 층간절연막의 손실 정도를 측정하기 위한 식각 모니터링 박스 형성방법에 있어서,

   하층의 금속배선이 형성된 반도체 기판 상에 식각방지막과 저유전율막이 순차로 적층된 다층 구조의 층간절연막을 형성하는 단계;

   상기 층간절연막을 식각하여 상기 하층의 금속배선을 노출시키는 콘택홀을 형성하는 단계;

   상기 콘택홀이 매립되도록 절연막을 증착하는 단계; 및

   상기 절연막과 다층 구조의 층간절연막간의 단차가 제거되도록 상기 절연막을 연마하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 다마신 공정에서의 식각 모니터링 박스 형성방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 절연막은

   저유전율(low-k) 물질, USG, TEOS, FSG, SOG 및 HSQ로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 듀얼 다마신 공정에서의 식각 모니터링 박스 형성방법.