KR100520679B1 - 반도체 소자의 구리배선 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 소자의 구리배선 형성방법에 관한 것으로, 배선공정시 소밀지역과 조밀지역에서의 디자인 룰을 서로 다르게 가져가는 새로운 구리배선 형성방법을 제공함으로써 반도체 소자의 배선공정시 공정 마진을 향상시킴과 아울러 반도체 소자의 불량을 최소화하여 수율을 향상시킬 수 있는 구리배선 형성방법을 개시한다.

Description

반도체 소자의 구리배선 형성방법{Method for forming a copper metal line in semiconductor device}

본 발명은 반도체 소자의 구리배선 형성방법에 관한 것으로, 특히 듀얼/싱글 다마신(dual/single damascene) 공정을 이용한 반도체 소자의 구리배선 형성방법에 관한 것이다.

최근 반도체 소자의 고집적화에 따라 알루미늄(Al)을 사용한 배선공정 대신에 저항이 알루미늄보다 낮은 구리(Cu)를 사용한 배선공정으로 대체해 가는 추세에 있다. 그러나, 반도체 소자에서 알루미늄을 적용한 배선공정의 경우와 달리 식각이 어려운 구리를 적용한 배선공정의 경우에는 패턴(pattern) 모양의 음양이 반대로 형성된다.

이 경우에도, 소밀한(isolation) 배선과 조밀한(dense) 배선 간의 디자인 룰(design rule)은 동일하게 적용되고 있다. 실제 공정 진행시 소밀한 배선과 조밀한 배선 간의 차이가 많이 발생하기 때문에 이들을 모두 만족시키기는 어려운 실정이다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 OPC(Optical Proximity Correction) 툴(tool)을 이용하여 보정을 한다. 그러나, 보정시 여러가지 오류가 발생할 수 있고, OPC 툴을 이용하여 보정을 한 경우에도 소밀한 배선과 조밀한 배선을 동시에 만족하는 공정 마진(margine)은 부족하다. 따라서, 근본적으로 새로운 방안이 필요한 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 종래기술에서 소밀한 배선의 패턴과 조밀한 배선의 패턴의 디자인 룰을 동일하게 가져감으로써 발생하는 소밀한 배선의 패턴 불량현상을 최소화하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 반도체 소자의 배선공정시 공정 마진을 향상시킴과 아울러 반도체 소자의 불량을 최소화하여 수율 및 생산성을 향상시키는데 다른 목적이 있다.

상기의 목적들을 구현하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예서는 소밀한 배선의 패턴과 조밀한 배선의 패턴의 디자인 룰을 서로 다르게 가져가는 새로운 구리배선 형성방법을 제공한다.

본 발명의 일측면에 따르면, 배선패턴의 밀집도에 따라 분리되는 소밀지역과 조밀지역에 다마신 공정을 이용한 구리배선 형성방법에 있어서, 소정의 절연막에 다마신 패턴을 형성하기 위한 다마신 공정시 상기 조밀지역에 비해 상기 소밀지역의 디자인 룰을 더 크게 설정하여 공정을 진행하는 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법을 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

우선, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구리배선 형성방법을 설명하기에 앞서, 배선공정을 통해 배선패턴이 소밀(즉, 동일 면적당 배선패턴이 10개 미만)하게 밀집될 지역(이하, '소밀지역'이라 함)과 배선패턴이 조밀(즉, 배선패턴이 10개 이상)하게 밀집될 지역(이하, '조밀지역'이라 함)에 배선을 형성하기 위한 배선공정시, 서로 동일한 디자인 룰을 적용하는 경우 이 두 지역에서의 배선패턴 크기의 차를 설명하기로 한다. 한편, 도 1 내지 도 3에 도시된 'I'(또는, 'iso')는 소밀지역을 나타내고, 'D'(또는, 'dense')는 조밀지역을 나타낸다.

도 1은 배선공정시 소밀지역과 조밀지역에서 160nm의 패턴(즉, 폭패턴)으로 서로 동일한 디자인 룰을 적용하여 배선을 형성한 다음 OPC를 실시하지 않은 경우 소밀지역과 조밀지역의 임계치수(Critical Demension; 이하, 'CD'라 함)차를 측정한 측정도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 소밀지역과 조밀지역 간의 'CD'차(DICD)는 대략 30nm 정도의 차를 보임을 알 수 있다.

한편, 도 2는 도 1과 같이 배선공정시 소밀지역과 조밀지역에서 160nm의 패턴으로 서로 동일한 디자인 룰을 적용하여 배선을 형성하고, 이 후 OPC를 실시한 경우에 소밀지역과 조밀지역 간의 'CD'차(DICD)를 측정한 측정도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 소밀지역과 조밀지연 간의 'CD'차는 대략 10nm 이내의 차를 보임을 알 수 있다.

도 1과 도 2를 비교해 보면, 도 2에서는 도 1에 비해 소밀지역과 조밀지역 간의 'CD'차가 현저히 감소되는 것을 알 수 있다. 즉, 도 2에서와 같이 배선을 형성한 후 OPC를 실시함에 따라 소밀지역과 조밀지역 간의 배선패턴의 'CD'차가 현저히 감소된다. 그러나, 도 2에서는 최적의 조건(best condition), 예컨대 OPC를 추가로 실시하는 경우 도 1에 비해 두 지역간의 배선패턴의 'CD'차이는 크게 줄었으나, 현재 노광장비의 한계상 광 조사 포커스 마진의 깊이(depth of focus margin)가 소밀지역과 조밀지역 간에 큰 차이를 보인다. 이와 같이, 배선패턴에 있어서 소밀지역과 조밀지역 간에 큰 차이를 보이는 이유는 앞서 설명한 바와 같이 노광장비에 따른 문제도 있겠지만, 근본적인 이유는 소밀지역에 비해 조밀지역에 많은 배선패턴을 형성하기 위한 노광공정시 다수의 포토 마스크(pothomask)가 필요하고, 이에 따라, 포토레지스트 패턴(photoresist pattern) 형성시 인접한 패턴영역끼리 조사되는 광에 의한 보강간섭이 일어나 오차범위가 누적되기 때문이다. 결국, 배선공정시 동일한 디자인 룰을 적용할 경우 소밀지역과 조밀지역 간에 배선패턴의 'CD'차가 발생하게 된다.

현재, 배선공정시 알루미늄을 사용하는 경우에는 동일한 디자인 룰을 적용하더라도 배선배턴을 형성한 후에 크기를 측정해 보면 조밀지역의 배선패턴의 크기보다 소밀지역의 배선패턴의 크기(폭)가 훨씬 크게 진행된다. 이에 반해, 배선공정시 구리를 사용하는 경우에는 구리금속의 특성상 식각공정이 어려워 듀얼/싱글 다마신(dual/signle damascene) 공정을 실시함에 따라 음양이 반대로 된다. 이에 따라 오히려 소밀지역에서는 조밀지역에서 보다 배선패턴의 크기가 작게 형성된다. 이러한 이유로 배선공정시 구리를 사용하는 경우에는 소밀지역과 조밀지역에서 동일한 디자인 룰을 적용하는 경우 두 지역의 배선패턴의 크기를 동일하게 형성하는데 많은 어려움이 따른다.

따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구리배선 형성방법에서는 소밀지역에 비해 조밀지역에서 발생하는 디자인 룰에 따라 예측되는 배선패턴의 'CD'와 실제 배선공정후 형성되는 배선패턴의 'CD' 간의 큰 차이를 감안하여 미리 소밀지역의 디자인 룰을 조밀지역의 디자인 룰에 비해 크게 가져간다. 예컨대, 배선공정시 반도체 소자의 디자인 룰을 설정할 때 조밀지역은 기존 알루미늄 배선공정시와 동일한 디자인 룰을 적용하지만, 소밀지역의 경우에는 조밀지역보다 크게 설정한다. 배선공정시 소밀지역의 디자인 룰을 크게 가져간다 하더라도 소밀지역은 조밀지역에 비해 배선 간의 간격이 비교적 넓기 때문에 브릿지(bridge)가 발생할 염려가 없다.

구체적으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구리배선 형성방법은 구리배선을 형성하기 위한 배선공정시 디자인 룰을 설정할 때, 조밀지역에서는 알루미늄 배선공정시와 동일한 디자인 룰, 예컨대 0.13㎛ 테크놀로지에서 160nm로 설정하는 경우, 소밀지역은 조밀지역에서보다 10% 내지 30% 정도로 크게 디자인 룰을 설정하여 배선공정을 실시한다. 예컨대, 소밀지역에서는 대략 200nm로 디자인 룰을 설정한다. 이로써, 다마신 패턴(damascene pattern)을 형성하기 위한 포토레지스트 패턴(photoresit pattern) 공정시 노광공정이 조밀지역에서 집중적으로 이루어진다 하여도 배선공정후 조밀지역에서 형성되는 배선패턴의 크기를 예측하여 미리 소밀지역의 디자인 룰을 결정한 상태에서 배선공정을 실시함으로써 두 지역에서의 배선패턴을 동일한 크기로 가져갈 수 있다.

이와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구리배선 형성방법으로 배선공정을 실시할 경우, 소밀지역과 조밀지역의 배선패턴의 크기에 대해 도 3을 통해 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구리배선 형성방법을 적용하여 배선공정을 실시할 경우 광 조사 초점(focus)에 따른 구리배선 패턴(define Cu)을 측정한 측정도이다. 여기서, 도 3은 배선공정후 OPC를 실시하지 않은 상태에서 측정한 측정도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구리배선 형성방법에 의해 소밀지역과 조밀지역 간의 배선패턴의 'CD'차가 줄어든 것을 알 수 있다.

또한, 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구리배선 형성방법에서는 소밀지역을 하나의 배선패턴만 존재하는 경우와 두개 또는 세개 이상의 배선패턴이 존재하는 경우를 구분하고, 이를 고려하여 배선공정시 디자인 룰을 각각 다르게 설정한다. 또한, 두개 또는 세개 이상의 배선패턴이 존재하는 경우 상기 배선패턴이 존재하는 위치에 따라 배선공정시 디자인 룰을 각각 다르게 적용한다. 즉, 배선공정시 디자인 룰의 크기는 '도 4a < 도 4b < 도 4c' 순으로 설정한다. 즉, 소밀지역이라도 배선패턴의 수 및 위치에 따라 차등적으로 디자인 룰을 적용한다. 미설명된 참조부호 '10'은 포토레지스트 패턴, '20'은 다마신 패턴이 형성될 절연막이다.

상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예들에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명은 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 배선공정시 소밀지역과 조밀지역에서의 디자인 룰을 서로 다르게 가져가는 새로운 구리배선 형성방법을 제공함으로써 반도체 소자의 배선공정시 공정 마진을 향상시킴과 아울러 반도체 소자의 불량을 최소화하여 수율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 배선공정시 160nm의 디자인 룰(design rule)을 적용하여 배선패턴을 형성한 후 소밀지역과 조밀지역 간의 임계치수(critical demension)의 차를 측정한 측정도이다.

도 2는 배선공정시 160nm의 디자인 룰을 적용하여 배선패턴을 형성한 후 OPC(Optical Proximity Correction)를 실시한 경우 소밀지역과 조밀지역 간의 임계치수의 차를 측정한 측정도이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구리배선을 적용한 경우 소밀지역과 조밀지역 간의 임계치수의 차를 측정한 측정도이다.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 바람직한 실시예의 적용방법을 설명하기 위하여 도시한 평면도이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 포토레지스트 패턴 20 : 절연막

Claims (3)

1. 배선패턴의 밀집도에 따라 분리되는 소밀지역과 조밀지역에 다마신 공정을 이용한 구리배선 형성방법에 있어서,

   소정의 절연막에 다마신 패턴을 형성하기 위한 다마신 공정시 상기 조밀지역에 비해 상기 소밀지역의 디자인 룰을 더 크게 설정하여 공정을 진행하는 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 다마신 공정시 상기 소밀지역에서의 디자인 룰은 상기 조밀지역에서의 디자인 룰에 비해 10% 내지 30%정도 크게 설정되는 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 다마신 공정시 상기 조밀지역에서의 디자인 룰이 160nm일 경우 상기 소밀지역에서의 디자인 룰은 200nm로 설정하는 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.