KR100546171B1 - Dual damascene pattern formation method - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 이중 다마신 패턴 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 기판상에 비아 유전층, 트렌치 유전층, 반사방지 코팅층, 및 네가티브톤 비아 포토 레지스트층을 순차적으로 적층하는 제 1 단계; 마스크를 이용하여 상기 네가티브톤 비아 포토 레지스트층에 비아 홀 패턴을 형성하여 상기 반사방지 코팅층을 노출시키는 제 2 단계; 상기 비아 홀 패턴 및 상기 네가티브톤 비아 포토 레지스트층 상에 네가티브톤 트렌치 포토 레지스트층을 형성하는 제 3 단계; 마스크를 이용하여 상기 네가티브톤 트렌치 포토 레지스트만을 선택적으로 제거하여 트렌치 패턴 및 상기 비아 홀 패턴을 동시에 형성하여 상기 반사방지 코팅층을 노출시키는 제 4 단계; 및 상기 트렌치 패턴 및 상기 비아 홀 패턴을 유지한 채로 등방식각을 진행하여 상기 비아 유전층에 비아 홀을 형성하고, 상기 트렌치 유전층에 트렌치를 형성하여 상기 기판을 노출시키는 제 5 단계를 포함하는 것을 특징으로 함으로써, 반도체 소자의 메탈라인 형성공정을 현저하게 단순화시킬 수 있는 등의 효과가 있다.The present invention relates to a method for forming a dual damascene pattern of a semiconductor device, and more particularly, a first step of sequentially stacking a via dielectric layer, a trench dielectric layer, an antireflective coating layer, and a negative tone via photoresist layer on a semiconductor substrate; A second step of forming a via hole pattern in the negative tone via photoresist layer by using a mask to expose the antireflective coating layer; Forming a negative tone trench photoresist layer on the via hole pattern and the negative tone via photoresist layer; Selectively removing only the negative tone trench photoresist using a mask to simultaneously form a trench pattern and the via hole pattern to expose the antireflective coating layer; And a fifth step of forming a via hole in the via dielectric layer by forming an isotropic angle while maintaining the trench pattern and the via hole pattern, and forming a trench in the trench dielectric layer to expose the substrate. As a result, the metal line forming process of the semiconductor device can be significantly simplified, and the like.

Description

듀얼 다마신 패턴 형성방법{Method for Manufacturing Dual Damascene Pattern}Method for manufacturing dual damascene pattern {Method for Manufacturing Dual Damascene Pattern}

도 1 내지 도 7은 본 발명의 실시례에 따른 이중 다마신 패턴 형성방법의 공정도.1 to 7 is a process chart of the dual damascene pattern forming method according to an embodiment of the present invention.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>

10 : 기판 20 : 비아(Via) 유전층10 substrate 20 via dielectric layer

30 : 제 1 스토퍼(Stopper)층 40 : 트렌치 유전층30: first stopper layer 40: trench dielectric layer

50 : 제 2 스토퍼층 60 : 유기 하부 반사방지 코팅층50: second stopper layer 60: organic lower antireflection coating layer

70 : 비아 포토 레지스트층 72 : 비아 홀(Via Hole) 패턴70: via photoresist layer 72: via hole pattern

80 : 트렌치 포토 레지스트층 82 : 트렌치 패턴80 trench photoresist layer 82 trench pattern

본 발명은 반도체 소자의 이중 다마신 패턴 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이중의 네가티브톤 포토 레지스트층을 형성하여 비아 홀과 트렌치를 동시에 식각하여 이중 다마신 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of forming a double damascene pattern of a semiconductor device, and more particularly, to a method of forming a double damascene pattern by simultaneously forming a double negative tone photoresist layer and simultaneously etching via holes and trenches.

CMOS 로직 디바이스(Logic Device)의 속도를 향상시키기 위해 주로 게이트의 길이(Gate Length)를 줄이는 것에 의존하여 왔다. 하지만 소자가 집적화될 수록 백 앤드 오브 라인(Back End Of Line : BEOL)의 금속화(Metallization)에 의한 RC(Resistance Capacitance) 딜레이(Delay)가 반도체 소자의 속도를 좌우하게 되었다. 이러한 RC 딜레이를 줄이기 위해 저항이 낮은 구리를 메탈로 적용하고 유전체로 저유전율(Low-k)의 물질을 사용하여 비아 홀(Via Hole)과 매탈 배선을 동시에 형성하는 듀얼 다마신 방법을 사용한다.In order to improve the speed of CMOS logic devices, we have relied mainly on reducing the gate length. However, as the device is integrated, the resistance capacitance delay caused by the metallization of the back end of line (BEOL) determines the speed of the semiconductor device. In order to reduce the RC delay, a dual damascene method is used in which low-resistance copper is used as a metal and low-k dielectric material is used to simultaneously form via holes and metal interconnects.

이러한 듀얼 다마신 패턴을 형성하는 방법에는 여러 가지가 있지만, 일반적으로 포토 마스크 정렬 측면에서 가장 유리한 비아 홀을 먼저 형성한 후 트렌치를 형성하는 방법으로 듀얼 다마신 패턴을 형성하는 비아 퍼스트 스킴(Via First Scheme)을 사용한다.There are several ways to form such a dual damascene pattern, but in general, Via first scheme for forming a dual damascene pattern by first forming a via hole which is most advantageous in terms of photo mask alignment and then forming a trench (Via First) Scheme).

그런데, 이 경우 트렌치 식각공정에 의해 비아 홀 하부의 베리어층이 식각되는 것을 방지하기 위해, 식각방지층으로 플래너 타입 유기 BARC(Planar Type Organic Bottom ARC) 및 레지스트를 이용하여 비아 홀을 매립하게 된다. 하지만 이러한 종래의 듀얼 다마신 패턴 형성방법의 경우는, 비아 홀과 트렌치가 각각 별도의 식각공정에 의해 형성되어 전체 공정 스텝이 복잡할 뿐만 아니라, 비아 홀 패턴의 밀도차에 의해 비아 홀 내부에 매립되는 식각 방지층의 높이가 각각의 비아 홀 마다 달라지게 되어 트렌치 식각시에 트렌치 패턴이 왜곡되기 쉽고 식각조건을 설정하기 어려우며, 비아 홀 내의 BARC 필링(filling) 불량, 트렌치 식각후 펜싱(Fencing) 현상 발생, 트렌치와 비아 홀 사이의 스토퍼 층 아래의 콘텐트 홀이 더 넓어져서 보이드(Void)가 형성되는 등의 문제가 있었다.However, in this case, in order to prevent the barrier layer under the via hole from being etched by the trench etching process, the via hole is buried using a planar type organic bottom arc (ARRC) and a resist as the etch stop layer. However, in the conventional dual damascene pattern forming method, the via hole and the trench are formed by separate etching processes, and the overall process step is complicated, and the density of the via hole pattern is embedded in the via hole. Since the height of the etch stop layer is different for each via hole, the trench pattern is easily distorted during the etching of the trench, and it is difficult to set the etching conditions. In other words, the content hole under the stopper layer between the trench and the via hole becomes wider to form voids.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 네가티브톤의 이중 포토 레지스트 층을 이용하여 트렌치와 비아 홀을 동시에 형성시켜 메탈라인 형성공정을 단순화하고, 비아 홀 매립공정에 의한 결함이 발생하지 않는 이중 다마신 패턴 형성방법을 을 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention is to solve the above problems, by using a double photoresist layer of negative tone to form a trench and via holes at the same time to simplify the metal line forming process, a double defect does not occur by the via hole filling process Its purpose is to provide a method for forming a damascene pattern.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체 기판상에 비아 유전층, 트렌치 유전층, 반사방지 코팅층, 및 네가티브톤 비아 포토 레지스트층을 순차적으로 적층하는 제 1 단계; 마스크를 이용하여 상기 네가티브톤 비아 포토 레지스트층에 비아 홀 패턴을 형성하여 상기 반사방지 코팅층을 노출시키는 제 2 단계; 상기 비아 홀 패턴 및 상기 네가티브톤 비아 포토 레지스트층 상에 네가티브톤 트렌치 포토 레지스트층을 형성하는 제 3 단계; 마스크를 이용하여 상기 네가티브톤 트렌치 포토 레지스트만을 선택적으로 제거하여 트렌치 패턴 및 상기 비아 홀 패턴을 동시에 형성하여 상기 반사방지 코팅층을 노출시키는 제 4 단계; 및 상기 트렌치 패턴 및 상기 비아 홀 패턴을 유지한 채로 등방식각을 진행하여 상기 비아 유전층에 비아 홀을 형성하고, 상기 트렌치 유전층에 트렌치를 형성하여 상기 기판을 노출시키는 제 5 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a first step of sequentially depositing a via dielectric layer, a trench dielectric layer, an antireflective coating layer, and a negative tone via photoresist layer on a semiconductor substrate according to the present invention; A second step of forming a via hole pattern in the negative tone via photoresist layer by using a mask to expose the antireflective coating layer; Forming a negative tone trench photoresist layer on the via hole pattern and the negative tone via photoresist layer; Selectively removing only the negative tone trench photoresist using a mask to simultaneously form a trench pattern and the via hole pattern to expose the antireflective coating layer; And a fifth step of forming a via hole in the via dielectric layer by forming an isotropic angle while maintaining the trench pattern and the via hole pattern, and forming a trench in the trench dielectric layer to expose the substrate. do.

상술한 목적 및 기타의 목적과 본 발명의 특징 및 이점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시례를 상세히 설명하면 다음과 같다.The above and other objects and features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1 내지 도 7은 본 발명의 실시례에 따른 듀얼 다마신 패턴 형성방법의 각 단계를 도시한다.
본 발명에 따른 듀얼 다마신 패턴 형성방법을 도 1을 참조하여 설명하면, 반도체 기판(10)상에 비아 유전층(20), 트렌치 유전층(40), 반사방지 코팅층(60), 및 네가티브톤 비아 포토 레지스트층(70)을 순차적으로 적층하는 제 1 단계를 실시한다. 이 때, 네가티브톤 비아 포토 레지스트층(70)은 비아 홀 패턴(72)이 형성될 수 있을 정도로 충분한 두께로 적층한다. 반사방지 코팅층(60)은 컨포멀(Conformal) 타입 하부 반사방지 코팅층(BARC) 또는 플래너(Planar) 타입 하부 반사방지 코팅층(BARC) 중 어느 하나일 수 있다. 종래의 듀얼 다마신 패턴 형성방법의 경우는 트렌치 에칭시 비아 홀에 대한 비아 어택(Via Attack)을 방지하기 위해 하부 반사 코팅층 두께가 단차가 낮은 곳에서는 두껍게 도포되고, 높은 곳에서는 얇게 도포되는 플래너 타입만이 사용되었으나, 본 발명에서는 비아 어택이 발생하지 않기 때문에, 플래너 타입뿐만 아니라 하부 단차에 상관없이 동일한 두께를 유지하는 컨포멀 타입의 하부 반사 코팅층도 사용할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 반사방지 코팅층의 타입과는 무관하게 퍼포먼스가 우수한 반사방지 코팅층을 선택할 수 있는 이점이 있다.
1 to 7 illustrate each step of the dual damascene pattern forming method according to the embodiment of the present invention.
A method of forming a dual damascene pattern according to the present invention will be described with reference to FIG. 1, on the semiconductor substrate 10, a via dielectric layer 20, a trench dielectric layer 40, an antireflective coating layer 60, and a negative tone via photo. A first step of sequentially laminating the resist layer 70 is performed. At this time, the negative tone via photoresist layer 70 is laminated to a thickness sufficient to form the via hole pattern 72. The antireflective coating layer 60 may be either a conformal type lower antireflective coating layer BARC or a planar type lower antireflective coating layer BARC. In the conventional dual damascene pattern forming method, a planar type in which the thickness of the lower reflective coating layer is thickly applied at a low level and thinly applied at a high level in order to prevent via attack on the via hole during trench etching. Although only the via is used in the present invention, since no via attack occurs, not only the planar type but also the conformal type lower reflective coating layer that maintains the same thickness regardless of the lower step may be used. Therefore, in the present invention, regardless of the type of the antireflective coating layer, there is an advantage of selecting an antireflective coating layer having excellent performance.

바람직하게는 도시된 바와 같이 비아 유전층(20)과 트렌치 유전층(40) 사이에 제 1 스토퍼층(30) 및 트렌치 유전층(40)과 반사방지 코팅층(60) 사이에 제 2 스토퍼층(50)을 더 적층하여 식각 시 비아 홀 식각속도와 트렌치 식각속도를 조절하도록 할 수 있다.Preferably, as shown, a second stopper layer 50 is disposed between the first stopper layer 30 and the trench dielectric layer 40 and the antireflective coating layer 60 between the via dielectric layer 20 and the trench dielectric layer 40. Further stacking may be used to adjust the via hole etching rate and the trench etching rate during etching.

다음으로, 도 2 에 도시된 바와 같이 마스크를 이용하여 네가티브톤 비아 포토 레지스트층(70)에 비아 홀 패턴(72)을 형성하여 반사방지 코팅층(60)을 노출시키는 제 2 단계를 실시하고, 도 3에 도시된 바와 같이 비아 홀 패턴(72) 및 비아 포토 레지스트층(70) 상에 네가티브톤 트렌치 포토 레지스트층(80)을 형성하는 제 3 단계를 실시한다. 이때, 네가티브톤 트렌치 포토 레지스트층(80)은 비아 홀 패턴(72)을 채우고 비아 포토 레지스트층(70)을 모두 덮도록 형성한다.
여기서, 비아 홀 패터닝시 포지티브 톤 포토 레지스트(Positive Tone Resist)를 사용하게 되면 트렌치 노광시 비아 포토 레지스트 층으로 빛이 들어가 레지스트 손실 및 패턴 변형이 발생할 수 있기 때문에 비아 포토 레지스트층은 네가티브 톤 포토 레지스트로 하는 것이 바람직하다.
Next, as shown in FIG. 2, a second step of exposing the antireflective coating layer 60 by forming a via hole pattern 72 in the negative tone via photoresist layer 70 using a mask is performed. As shown in FIG. 3, a third step of forming the negative tone trench photoresist layer 80 on the via hole pattern 72 and the via photoresist layer 70 is performed. In this case, the negative tone trench photoresist layer 80 may be formed to fill the via hole pattern 72 and cover all of the via photoresist layer 70.
In this case, when the positive tone photoresist is used during the via hole patterning, the via photoresist layer may be a negative tone photoresist because light may enter the via photoresist layer during the trench exposure, resulting in resist loss and pattern deformation. It is desirable to.

다음으로, 도 4에 도시된 바와 같이 마스크를 이용하여 상기 네가티브톤 트렌치 포토 레지스트만을 선택적으로 제거하여 트렌치 패턴(82) 및 비아 홀 패턴(72)을 동시에 형성하여 반사방지 코팅층을 노출시키는 제 4 단계를 실시한다. 제 4 단계에서의 노광공정을 제 2 단계의 노광공정과 구분하기 위하여 제 2 노광공정이라고 하면, 제 2 노광공정에서는 네가티브톤 트렌치 포토 레지스트에만 반응이 발생하고 네가티브톤 비아 포토 레지스트에는 반응이 없도록 광원 및 포토 레지스트를 선택하여야 한다. 이에 따라 제 2 노광공정을 통해 비아 홀 패턴(72)에 채워졌던 네가티브톤 트렌치 포토 레지스트가 제거되어 제 1 노광공정에서 네가티브톤 비아 포토 레지스트층(70)에 형성하였던 비아 홀 패턴(72)이 다시 드러나게 되고, 트렌치 포토 레지스트 층(80)에는 트렌치 패턴(82)이 새로이 형성된다. 제 1 노광공정 및 제 2 노광공정에서 사용되는 노광 광원의 파장은 각각 365 nm(I_line), 248 nm(Krf), 193nm(Arf) 중 어느 하나인 것이 바람직하다.Next, as shown in FIG. 4, a fourth step of selectively removing only the negative tone trench photoresist using a mask to simultaneously form a trench pattern 82 and a via hole pattern 72 to expose an antireflective coating layer. Is carried out. In order to distinguish the exposure process in the fourth step from the exposure process in the second step, the second exposure step causes the reaction to occur only in the negative tone trench photoresist in the second exposure step and not in the negative tone via photoresist. And photoresist should be selected. Accordingly, the negative tone trench photoresist filled in the via hole pattern 72 is removed through the second exposure process, and the via hole pattern 72 formed in the negative tone via photoresist layer 70 in the first exposure process is again. The trench pattern 82 is newly formed in the trench photoresist layer 80. The wavelength of the exposure light source used in the first exposure process and the second exposure process is preferably one of 365 nm (I_line), 248 nm (Krf) and 193 nm (Arf), respectively.

다음으로, 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 트렌치 패턴(82) 및 비아 홀 패턴(72)을 유지한 채로 등방식각을 진행하게 되면 비아 유전층(20)에는 결국 비아 홀이 형성되고, 트렌치 유전층(40)에는 트렌치가 형성되어 듀얼 다마신 패턴이 완성된다.Next, as shown in FIGS. 5 to 7, when the isotropic angle is maintained while maintaining the trench pattern 82 and the via hole pattern 72, via holes are eventually formed in the via dielectric layer 20. A trench is formed in the dielectric layer 40 to complete the dual damascene pattern.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 듀얼 다마신 패턴 형성방법에 따르면, 포토 레지스트층에 비아 홀 패턴 및 트렌치 패턴을 먼저 생성한 후, 패턴을 유지한 채로 등방식각하여 듀얼 다마신 패턴을 형성하기 때문에, 반도체 소자의 메탈라인 형성공정을 현저하게 단순화시킬 수 있으며, 비아 홀 내부에 식각방지층을 매립할 필요가 없기 때문에, 비아 홀 내의 BARC 필링(filling) 불량, 트렌치 식각후 펜싱(Fencing) 현상 발생, 트렌치와 비아 홀 사이의 스토퍼 층 아래의 콘텐트 홀이 더 넓어져서 보이드(Void)가 형성되는 등의 문제가 없이 듀얼 다마신 패턴을 형성할 수 있는 현저한 효과를 제공한다. As described above, according to the method of forming a dual damascene pattern according to the present invention, since the via hole pattern and the trench pattern are first generated in the photoresist layer, the dual damascene pattern is formed by conformal conformation while maintaining the pattern. In addition, the metal line forming process of the semiconductor device can be significantly simplified, and since there is no need to bury the etch stop layer in the via hole, the BARC filling defect in the via hole, the fencing phenomenon after the trench etching, The content hole under the stopper layer between the trench and the via hole is wider to provide a remarkable effect of forming a dual damascene pattern without the problem of forming voids.

아울러 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.In addition, preferred embodiments of the present invention are disclosed for the purpose of illustration, those skilled in the art will be able to make various modifications, changes, additions, etc. within the spirit and scope of the present invention, such modifications and modifications belong to the scope of the claims You will have to look.

Claims (5)

반도체 기판상에 비아 유전층, 트렌치 유전층, 반사방지 코팅층, 및 네가티브톤 비아 포토 레지스트층을 순차적으로 적층하는 제 1 단계;Sequentially depositing a via dielectric layer, a trench dielectric layer, an antireflective coating layer, and a negative tone via photoresist layer on the semiconductor substrate; 마스크를 이용하여 상기 네가티브톤 비아 포토 레지스트층에 비아 홀 패턴을 형성하여 상기 반사방지 코팅층을 노출시키는 제 2 단계;A second step of forming a via hole pattern in the negative tone via photoresist layer by using a mask to expose the antireflective coating layer; 상기 비아 홀 패턴 및 상기 네가티브톤 비아 포토 레지스트층 상에 네가티브톤 트렌치 포토 레지스트층을 형성하는 제 3 단계;Forming a negative tone trench photoresist layer on the via hole pattern and the negative tone via photoresist layer; 마스크를 이용하여 상기 네가티브톤 트렌치 포토 레지스트만을 선택적으로 제거하여 트렌치 패턴 및 상기 비아 홀 패턴을 동시에 형성하여 상기 반사방지 코팅층을 노출시키는 제 4 단계; 및Selectively removing only the negative tone trench photoresist using a mask to simultaneously form a trench pattern and the via hole pattern to expose the antireflective coating layer; And 상기 트렌치 패턴 및 상기 비아 홀 패턴을 유지한 채로 등방식각을 진행하여 상기 비아 유전층에 비아 홀을 형성하고, 상기 트렌치 유전층에 트렌치를 형성하여 상기 기판을 노출시키는 제 5 단계A fifth step of forming a via hole in the via dielectric layer by forming an isotropic angle while maintaining the trench pattern and the via hole pattern, and forming a trench in the trench dielectric layer to expose the substrate 를 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 다마신 패턴 형성방법.Dual damascene pattern forming method comprising a. 삭제delete 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 1 단계는 상기 비아 유전층과 상기 트렌치 유전층 사이와 상기 트렌치 유전층과 상기 반사방지 코팅층 사이에 스토퍼층을 더 적층하는 것을 특징으로 하는 듀얼 다마신 패턴 형성방법.The first step is a method for forming a dual damascene pattern, further comprising a stopper layer between the via dielectric layer and the trench dielectric layer and between the trench dielectric layer and the antireflective coating layer. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 반사방지 코팅층은 컨포멀(Conformal) 타입 하부 반사방지 코팅층 또는 플래너(Planar) 타입 하부 반사방지 코팅층 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 듀얼 다마신 패턴 형성방법.The anti-reflective coating layer is a dual damascene pattern forming method, characterized in that any one of a conformal (type) bottom anti-reflective coating layer or planar type bottom anti-reflective coating layer. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제 2 단계 및 제 4 단계는 노광 광원으로 각각 365 nm(I_line), 248 nm(Krf), 193nm(Arf) 중 어느 하나의 파장을 사용하는 것을 특징으로 하는 듀얼 다마신 패턴 형성방법.The second and fourth steps of the dual damascene pattern forming method using any one of the wavelength of 365 nm (I_line), 248 nm (Krf), 193nm (Arf) as the exposure light source.
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