KR100529440B1 - 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 버티컬한 금속 프로파일의 실현을 통해 제품 신뢰도를 증진시킬 수 있도록 한다는 것으로, 이를 위하여 본 발명은, MIM 구조의 금속 패턴을 형성할 때 SiON과 SiN을 동시에 식각하고 TiN과 Ti를 동시에 식각하는 전술한 종래 방식과는 달리, SiON과 SiN을 동시에 식각하고 TiN과 Ti를 별도의 식각 스텝으로 각각 식각하여 SiON 계열의 폴리머 발생을 억제함으로써, 버티칼한 프로파일을 갖는 금속 패턴을 실현하여 금속의 저항 및 전기 전도의 변화를 억제할 수 있기 때문에 반도체 소자의 제품 신뢰도를 증진시킬 수 있는 것이다.

Description

반도체 소자의 금속 배선 형성 방법{METHOD FOR FORMING A METAL LINE OF SEMICONDUCTOR DEVICE}

본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 소자에 MIM(metal insulator metal)금속 배선을 형성하는데 적합한 금속 배선 형성 기법에 관한 것이다.

최근 들어, 반도체 디바이스가 대용량화 및 고집적화됨에 따라 반도체 디바이스의 면적은 점진적으로 축소되고 있으며, 그에 따라 반도체 디바이스내의 금속 배선 및 그 선폭이 감소되고 있는 추세이다.

잘 알려진 바와 같이, 반도체 제조 공정 중의 하나인 금속 식각 공정은 식각 후에 금속 프로파일을 정확하게 만들기 위해 매우 중요한데, 그 이유는 반도체 소자의 배선은 그 구조와 치수가 직접적으로 소자의 동작과 속도에 영향을 주기 때문이다.

한편, 반도체 배선 공정 중 MIM(metal insulator metal)이 들어가는 구조는, 기판 상에 Ti, Al, Ti, TiN, SiN, SiON을 순차 적층하고, 사진 식각 공정을 통해 형성한 식각 마스크를 이용하는 식각 공정을 순차적으로 수행함으로서 기판 상에 목표로 하는 프로파일을 갖는 금속 배선을 형성한다.

보다 상세하게, 종래 방법에 따르면, Cl2, BCl3, CHF3 등의 식각 가스를 이용하는 식각 공정을 통해 SiON, SiN, TiN, Ti를 선택적으로 순차 식각하여 Al의 상부 일부를 노출시키고, Cl2, BCl3, N2 등의 식각 가스를 이용하는 식각 공정을 Al을 선택적으로 식각하여 Ti의 상부 일부를 노출시켜, Cl2, BCl3 등의 식각 가스를 이용하는 식각 공정을 통해 Ti를 선택적으로 제거하여 기판의 상부 일부를 노출시킴으로써 금속 배선을 완성한다.

그러나, 종래 방법에서는 SiON과 SiN을 동시에 식각하는데, 이 경우 SiON만 식각하는 경우에 비해 상대적으로 식각 시간이 길어지기 때문에 이 시간동안 많은 양의 폴리머가 발새하게 되고, 후속하는 TiN과 Ti의 식각시에 SiON 계열의 폴리머가 사이드 측에 그대로 잔류하게 되는 문제, 즉 금속 상부의 프로파일이 버티컬(Vertical)하게 되지 않고 측면으로 볼록하게 튀어나오는 푸팅(footing)현상이 야기되는 문제가 있으며, 이러한 문제는 후속 공정을 배리어 금속 및 텅스턴 충전 공정에서 스텝 커버리지(Step Coverage)를 좋지 않게 하며, 또한 금속의 저항 및 전기 전도에 변화(동작속도의 저하)를 초래하게 되는 문제를 야기시킨다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 버티컬한 금속 프로파일의 실현을 통해 제품 신뢰도를 증진시킬 수 있는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판 상에 MIM 구조를 갖는 금속 배선을 형성하는 방법에 있어서, 상기 기판 상에 하부 Ti 물질, 금속 물질, 상부 Ti 물질, TiN 물질, SiN 물질 및 SiON 물질을 순차 적층하는 과정; 상기 SiON 물질의 상부에 임의의 패턴을 갖는 식각 마스크를 형성하는 과정; 1차의 식각 공정을 수행하여 상기 SiON 물질과 SiN 물질을 순차 제거함으로써, 상기 TiN 물질의 일부를 선택적으로 노출시키는 과정; 2차 식각 공정을 수행하여 상기 노출된 TiN 물질을 선택적으로 제거함으로써, 상기 상부 Ti 물질의 일부를 선택적으로 노출시키는 과정; 3차 식각 공정을 수행하여 상기 노출된 Ti 물질을 선택적으로 제거함으로써, 상기 금속 물질의 일부를 선택적으로 노출시키는 과정; 4차 식각 공정을 수행하여 상기 노출된 금속 물질을 선택적으로 제거함으로써, 상기 하부 Ti 물질의 일부를 선택적으로 노출시키는 과정; 5차 식각 공정을 수행하여 상기 노출된 하부 Ti 물질을 선택적으로 제거함으로써, 상기 기판의 일부를 선택적으로 노출시키는 과정; 및 상기 SiON 물질 상에 잔류하는 식각 마스크를 스트리핑함으로써, 상기 MIM 구조의 금속 배선을 완성하는 과정을 포함하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 제공한다.

본 발명의 상기 및 기타 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 하기에 기술되는 본 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

본 발명의 핵심 기술요지는, MIM 구조의 금속 패턴을 형성할 때 SiON과 SiN을 동시에 식각하고 TiN과 Ti를 동시에 식각하는 종래 방식과는 달리, SiON과 SiN을 동시에 식각하고 TiN과 Ti를 별도의 식각 스텝으로 각각 식각하여 SiON 계열의 폴리머 발생을 억제함으로써, 버티칼한 프로파일을 갖는 금속 패턴을 실현한다는 것으로, 이러한 기술적 수단을 통해 본 발명에서 목적으로 하는 바를 쉽게 달성할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1a 내지 1g는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 반도체 소자의 금속 배선을 형성하는 과정을 도시한 공정 순서도이다.

도 1a를 참조하면, 순차적인 증착 공정을 수행하여, 기판(100)의 상부에 하부 장벽 물질인 Ti 물질(102a), Al 또는 Cu 등의 금속 물질(104a), Ti 물질(106a), TiN 물질(108a), SiN 물질(110a), 알루미늄 또는 구리에 의한 난반사를 방지하기 위한 아크막인 SiON 물질(112a)을 증착한다. 여기에서, Ti 물질(102a)은 대략 100 - 200Å 정도를, 금속 물질(104a)은 대략 4000Å 이상을, Ti 물질(106a)은 50 - 100Å 정도를, TiN 물질(108a)은 500 - 700Å 정도를, SiN 물질(110a)은 300Å 이상을, SiON 물질(112a)은 200 - 500Å 정도를 각각 증착한다.

다음에, 포토레지스트 도포 → 노광 → 현상 공정을 수행함으로써, 일 예로서 도 1b에 도시된 바와 같이, SiON 물질(112a)의 상부에 임의의 패턴을 갖는 식각 마스크(114)를 형성한다.

이어서, 식각 마스크(114)를 식각 장벽층으로 하여 Ar와 CHF3 가스를 주로 사용하는 1차의 식각 공정을 통해 SiON 물질(112a)과 SiN 물질(110a)을 선택적으로 순차 식각함으로써, 일 예로서 도 1c에 도시된 바와 같이, TiN 물질(108a)의 상부를 선택적으로 노출시킨다.

이러한 1차 식각 공정 중 CHF3의 양은 대략 1 - 100cc이고, Ar의 양은 대략 1 - 300cc 정도이며, RF 파워는 대략 100 - 200W이고, 바이어스 파워는 대략 10 - 500W이다.

다시, 식각 마스크(114)를 식각 장벽층으로 하여 Cl2와 CHF3 가스를 주로 사용하는 2차의 식각 공정을 통해 상부가 노출된 TiN 물질(108a)을 선택적으로 식각함으로써, 일 예로서 도 1d에 도시된 바와 같이, Ti 물질(106a)의 상부를 선택적으로 노출시킨다.

다음에, Cl2, BCl3, CHF3 등의 가스를 주로 사용하는 3차의 식각 공정을 통해 상부가 노출된 Ti 물질(106a)을 선택적으로 식각함으로써, 일 예로서 도 1e에 도시된 바와 같이, 금속 물질(104a)의 상부를 선택적으로 노출시킨다.

이어서, Cl2, BCl3, N2 등의 가스를 주로 사용하는 4차의 식각 공정을 통해 상부가 노출된 금속 물질(104a)을 선택적으로 식각함으로써, 일 예로서 도 1f에 도시된 바와 같이, Ti 물질(102a)의 상부를 선택적으로 노출시킨다.

다시, Cl2, BCl3 등의 가스를 주로 사용하는 5차의 식각 공정을 통해 상부가 노출된 Ti 물질(102a)을 선택적으로 식각하여 기판의 상부 일부를 선택적으로 노출시키고, 이어서 스트리핑 공정을 수행하여 잔류하는 식각 마스크(114)를 제거함으로써, 일 예로서 도 1g에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상에 Ti 막(102), 금속막(104), Ti 막(106), TiN 막(108), SiN 막(110), SiON 막(112)의 적층 구조로 된 금속 패턴(116), 즉 버티컬한 프로파일을 갖는 금속 패턴을 완성한다.

본 발명의 발명자는 본 발명과 종래 기술과의 상대적인 비교를 위한 실험을 하였으며, 그 실험 결과는 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 방법과 종래 방법 간의 비교 실험을 위해 기판 상에 적층한 MIM 구조의 예시도이고, 도 3a는 본 발명과의 비교 실험을 위해 종래 방법에 따라 금속 배선을 형성하는 금속 식각 레시피에 대한 도표이다. 이때, MIM 구조는, 도 2에 도시된 바와 같이, 기판 상에 Ti, Al, Ti, TiN, SiN 및 SiON을 순차 적층한 구조이다.

본 실험에서는 실험 결과의 신뢰도 확보를 위해 금속 패턴을 이루는 각 막들을 동일한 두께로 형성하여 종래 방법에 따른 금속 식각 레시피와 본 발명에 따른 금속 식각 레시피로 실험하였다.

도 3a의 표를 참조하면, 종래 방법에 있어서, BT1 스텝에서는 Cl2와 CHF3 가스를 이용하는 식각 공정을 통해 SiON, SiN, TiN의 일부를 선택적으로 식각하여 그 하부의 Ti를 노출시키고, BT2 스텝에서는 Cl2, BCl3와 CHF3 가스를 이용하는 식각 공정을 통해 상부가 노출된 Ti를 선택적으로 식각하여 그 하부의 Al을 노출시켰다.

또한, ME 스텝에서는 Cl2, BCl3와 N2 가스를 이용하는 식각 공정을 통해 상부가 노출된 Al을 선택적으로 식각하여 그 하부의 Ti를 노출시키고, Cl2와 BCl3 가스를 이용하는 두 번의 식각 공정을 통해 상부가 노출된 Ti를 선택적으로 식각한 후(OE1, OE2 스텝) 잔류하는 식각 마스크를 제거함으로써, MIM 구조의 금속 패턴을 완성한다.

도 3b는 본 발명과의 비교 실험을 위해 상술한 바와 같은 종래 방법의 금속 식각 레시피에 따라 기판 상에 형성한 금속 배선을 촬상한 프로파일 사진이다.

도 3b를 참조하면, 참조번호 A로서 표시된 바와 같이, SiON 식각시에 발생한 폴리머가 SiN 및 TiN의 식각시에 사이드 측에 그대로 남아 금속 패턴의 프로파일이 버티컬하게 되지 않고 볼록하게 되는 푸팅 현상이 야기됨을 분명하게 알 수 있었다.

도 4a는 종래 방법과의 비교 실험을 위해 본 발명에 따라 금속 배선을 형성하는 금속 식각 레시피에 대한 도표이다.

도 4a를 참조하면, 본 발명에 있어서, New BT1 스텝에서는 CHF3와 Ar 가스를 이용하는 식각 공정을 통해 SiON, SiN의 일부를 선택적으로 식각하여 그 하부의 TiN를 노출시키고, B/L BT1 스텝에서는 Cl2, CHF3 가스를 이용하는 식각 공정을 통해 상부가 노출된 TiN를 선택적으로 식각하여 그 하부의 Ti를 노출시키며, B/L BT2 스텝에서는 Cl2, BCl3와 CHF3 가스를 이용하는 식각 공정을 통해 상부가 노출된 Ti를 선택적으로 식각하여 그 하부의 Al을 노출시켰다.

다음에, ME 스텝에서는 Cl2, BCl3와 N2 가스를 이용하는 식각 공정을 통해 상부가 노출된 Al을 선택적으로 식각하여 그 하부의 Ti를 노출시키고, 이어서 Cl2와 BCl3 가스를 이용하는 두 번의 식각 공정을 통해 상부가 노출된 Ti를 선택적으로 식각한 후(OE1, OE2 스텝) 잔류하는 식각 마스크를 제거함으로써, MIM 구조의 금속 패턴을 완성한다.

도 4b는 종래 방법과의 비교 실험을 위한 본 발명의 금속 식각 레시피에 따라 기판 상에 형성한 금속 배선을 촬상한 프로파일 사진이다.

도 4b를 참조하면, 참조번호 B로서 표시된 바와 같이, 금속 패턴의 사이드 측에 폴리머가 남지 않기 때문에 버티컬한 프로파일을 갖는 금속 패턴을 얻을 수 있음을 분명하게 알 수 있었다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, MIM 구조의 금속 패턴을 형성할 때 SiON과 SiN을 동시에 식각하고 TiN과 Ti를 동시에 식각하는 전술한 종래 방식과는 달리, SiON과 SiN을 동시에 식각하고 TiN과 Ti를 별도의 식각 스텝으로 각각 식각하여 SiON 계열의 폴리머 발생을 억제함으로써, 버티칼한 프로파일을 갖는 금속 패턴을 실현하여 금속의 저항 및 전기 전도의 변화를 억제할 수 있기 때문에 반도체 소자의 제품 신뢰도를 증진시킬 수 있다.

도 1a 내지 1g는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 반도체 소자의 금속 배선을 형성하는 과정을 도시한 공정 순서도,

도 2는 본 발명에 따른 방법과 종래 방법 간의 비교 실험을 위해 기판 상에 적층한 MIM 구조의 예시도,

도 3a는 본 발명과의 비교 실험을 위해 종래 방법에 따라 금속 배선을 형성하는 금속 식각 레시피에 대한 도표,

도 3b는 본 발명과의 비교 실험을 위한 종래 방법의 금속 식각 레시피에 따라 기판 상에 형성한 금속 배선을 촬상한 프로파일 사진,

도 4a는 종래 방법과의 비교 실험을 위해 본 발명에 따라 금속 배선을 형성하는 금속 식각 레시피에 대한 도표,

도 4b는 종래 방법과의 비교 실험을 위한 본 발명의 금속 식각 레시피에 따라 기판 상에 형성한 금속 배선을 촬상한 프로파일 사진.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 기판 102, 106 : Ti 막

104 : 금속막 108 : TiN 막

110 : SiN 막 112 : SiON 막

116 : 금속 패턴

Claims (4)

1. 기판 상에 MIM 구조를 갖는 금속 배선을 형성하는 방법에 있어서,

   상기 기판 상에 하부 Ti 물질, 금속 물질, 상부 Ti 물질, TiN 물질, SiN 물질 및 SiON 물질을 순차 적층하는 과정;

   상기 SiON 물질의 상부에 임의의 패턴을 갖는 식각 마스크를 형성하는 과정;

   1차의 식각 공정을 수행하여 상기 SiON 물질과 SiN 물질을 순차 제거함으로써, 상기 TiN 물질의 일부를 선택적으로 노출시키는 과정;

   2차 식각 공정을 수행하여 상기 노출된 TiN 물질을 선택적으로 제거함으로써, 상기 상부 Ti 물질의 일부를 선택적으로 노출시키는 과정;

   3차 식각 공정을 수행하여 상기 노출된 Ti 물질을 선택적으로 제거함으로써, 상기 금속 물질의 일부를 선택적으로 노출시키는 과정;

   4차 식각 공정을 수행하여 상기 노출된 금속 물질을 선택적으로 제거함으로써, 상기 하부 Ti 물질의 일부를 선택적으로 노출시키는 과정;

   5차 식각 공정을 수행하여 상기 노출된 하부 Ti 물질을 선택적으로 제거함으로써, 상기 기판의 일부를 선택적으로 노출시키는 과정; 및

   상기 SiON 물질 상에 잔류하는 식각 마스크를 스트리핑함으로써, 상기 MIM 구조의 금속 배선을 완성하는 과정

   을 포함하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 1차 식각 공정은, CHF3와 Ar 가스 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 CHF3 가스의 농도는 1 - 100cc이고, 상기 Ar 가스는 1 - 300cc의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 1차 식각 공정은, 100 - 2000W 의 RF 파워, 10 - 500W의 바이어스 파워 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.