KR100546208B1 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 코아 영역 및 패드 영역에 듀얼 다마신 패턴을 형성하고, 듀얼 다마신 패턴을 도금법으로 구리를 채울 때 선폭이 넓은 패드 영역의 듀얼 다마신 패턴에 채워지는 구리가 듀얼 다마신 패턴의 상단보다 낮도록 하여 홈이 형성되도록 하고, 이러한 구리층 상에 구리확산방지 도전막 및 내산화 금속층을 형성하고, 이후 연마 공정으로 구리배선을 형성하는데, 패드 영역의 구리배선 상부는 내산화 금속층으로 덮이는 구조가 되어 구리배선과 내산화 금속층으로 된 패드층이 동시에 형성되므로, 기존의 패드 영역에서 구리배선의 노출로 인한 구리배선 표면 산화 방지를 위해 별도의 패드층 증착 공정, 마스크 공정 및 식각 공정을 생략할 수 있어 공정 단순화로 인한 생산성 향상 및 비용 절감을 이룰 수 있다.
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and forms a dual damascene pattern in the core region and the pad region, and fills the dual damascene pattern of the pad region having a wide line width when the dual damascene pattern is filled with copper by plating. The copper is lower than the upper end of the dual damascene pattern so that the groove is formed, and the copper diffusion preventing conductive film and the metal oxide layer are formed on the copper layer, and then the copper wiring is formed by the polishing process. Since the upper part of the wiring is covered with a metal oxide layer, a pad layer made of copper wiring and a metal oxide layer is formed at the same time, so that a separate pad layer is used to prevent oxidation of the copper wiring surface due to exposure of the copper wiring in the existing pad area. The deposition process, the mask process and the etching process can be omitted, resulting in improved productivity and cost savings due to the simplified process.
구리배선, 패드, 듀얼 다마신Copper wiring, pads, dual damascene
Description
도 1은 종래 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.1 is a cross-sectional view of a device for explaining a method of manufacturing a conventional semiconductor device.
도 2a 내지 2d는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.
2A to 2D are cross-sectional views of devices for describing a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for main parts of the drawings>
11, 41: 기판 12, 42: 하부배선11, 41:
13, 43: 구리확산방지 절연막 14, 44: 비아홀용 층간 절연막13, 43: copper diffusion preventing insulating film 14, 44: interlayer insulating film for via hole
15, 45: 트렌치 식각정지막 16, 46: 트렌치용 층간 절연막15, 45: trench etch stop films 16, 46: trench interlayer insulating film
17, 47: 듀얼 다마신 패턴 18, 48: 제 1 구리확산방지 도전막17, 47: dual damascene pattern 18, 48: first copper diffusion preventing conductive film
19, 49: 구리 시드층 50: 구리층19, 49: copper seed layer 50: copper layer
21, 51: 제 2 구리확산방지 도전막 52: 내산화 금속층21 and 51: second copper diffusion preventing conductive film 52: metal oxide layer
23, 53: 패시베이션층 200, 500: 구리배선23, 53:
220, 520: 패드층
220, 520: pad layer
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히 듀얼 다마신(dual damascene) 공정으로 구리배선을 최종적으로 형성한 후, 별도의 패드층 형성 공정을 생략하므로 공정의 단순화를 이룰 수 있는 반도체 소자의 제조방법에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device. In particular, after a final copper wiring is formed by a dual damascene process, a separate pad layer forming process is omitted, thereby simplifying the process. It relates to a manufacturing method.
일반적으로, 반도체 산업이 초대규모 집적 회로(Ultra Large Scale Integration; ULSI)로 옮겨가면서 소자의 지오메트리(geometry)가 서브-하프-마이크로(sub-half-micron) 영역으로 계속 줄어드는 반면, 성능 향상 및 신뢰도 측면에서 회로 밀도(circuit density)는 증가하고 있다. 이러한 요구에 부응하여, 반도체 소자의 금속 배선을 형성함에 있어서 구리는 알루미늄에 비해 녹는점이 높아 전기이동도(electro-migration; EM)에 대한 저항이 커서 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있고, 비저항이 낮아 신호전달 속도를 증가시킬 수 있어, 집적 회로(integration circuit)에 유용한 상호연결 재료(interconnection material)로 사용되고 있다.In general, as the semiconductor industry moves to Ultra Large Scale Integration (ULSI), the geometry of devices continues to shrink into the sub-half-micron area, while improving performance and reliability. In terms of circuit density, circuit density is increasing. In response to these demands, copper has a higher melting point than aluminum in forming metal wirings of semiconductor devices, and thus has high resistance to electro-migration (EM), thereby improving reliability of the device and having low specific resistance. The speed of signal transmission can be increased, making it a useful interconnection material for integration circuits.
현재, 사용이 가능한 구리 매립 방법으로는 물리기상증착(PVD)법/리플로우 (reflow), 화학기상증착법(CVD), 전기 도금(Electroplating)법, 무전기 도금(Electroless-plating)법 등이 있으며, 이 중에서 선호되는 방법은 구리 매립 특성이 비교적 양호한 도금법이다.Currently available copper embedding methods include physical vapor deposition (PVD) method / reflow, chemical vapor deposition (CVD), electroplating method, electroless-plating method, etc. Among these, the preferred method is a plating method with relatively good copper embedding characteristics.
금속 배선의 재료로 구리를 채용하면서, 반도체 소자의 구리 배선 형성 공정 에 하부층과 전기적으로 연결하기 위한 비아 콘택홀 및 금속 배선이 위치되는 트렌치를 동시에 형성시키는 다마신 기법이 널리 적용되고 있다.While adopting copper as a material for the metal wiring, a damascene technique for simultaneously forming a via contact hole and a trench in which the metal wiring is located for electrically connecting the lower layer to the copper wiring forming process of the semiconductor device is widely applied.
비아 콘택홀 및 트렌치로 이루어진 다마신 패턴에 구리 배선을 형성하기 위해서는 상기한 여러 방법으로 다마신 패턴에 구리를 매립시킨 후에 매립된 구리층을 화학적 기계적 연마(CMP) 공정으로 연마하여 이웃하는 구리 배선과 격리(isolation)시킨다.In order to form a copper wiring in the damascene pattern made of the via contact hole and the trench, the copper layer is buried by the chemical mechanical polishing (CMP) process after embedding the copper in the damascene pattern by various methods described above. Isolate with.
도 1은 종래 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다. 하부배선(12)이 형성된 기판(11)이 제공되고, 하부배선(12)을 포함한 기판(11) 상부에 적층되어 형성된 구리확산방지 절연막(13), 비아홀용 층간 절연막(14), 트렌치 식각정지막(15) 및 트렌치용 층간 절연막(16)을 듀얼 다마신 공정을 적용하여 듀얼 다마신 패턴(17)을 형성한다. 듀얼 다마신 패턴(17)은 코아 영역(core region) 및 패드 영역(pad region)에 형성되며, 패드 영역의 듀얼 다마신 패턴(17)의 선폭이 코아 영역의 듀얼 다마신 패턴(17)의 선폭보다 크게 형성된다. 이러한 듀얼 다마신 패턴(17)을 포함한 전체 구조상부에 제 1 구리확산방지 도전막(18), 구리 시드층(19)을 형성하고, 도금법으로 듀얼 다마신 패턴(17)이 완전히 매립되도록 구리층을 형성한 후, 화학적 기계적 연마(CMP) 공정으로 코아 영역 및 패드 영역의 듀얼 다마신 패턴(17) 내에 구리배선(200)을 형성한다. 이후, 단층 또는 다층 구조의 패시베이션층(passivation layer; 23)을 형성하고, 패드 마스크 공정 및 식각 공정으로 패드 영역의 패시베이션층(23)을 식각하여 패드 영역의 구리배선(200) 일부를 노출시킨다. 노출된 구리배선(200)을 포함한 패시베이션층(23) 상에 제 2 구리확산방지 도전막(21) 및 알루미늄과 같은 내산화 금속층을 형성하고, 마스크 공정 및 식각 공정으로 내산화 금속층 및 제 2 구리확산방지 도전막(21)을 패터닝하여 패드 영역에서 구리배선(200)과 전기적으로 연결되는 패드층(220)을 형성한다.1 is a cross-sectional view of a device for explaining a method of manufacturing a conventional semiconductor device. A
상기한 종래 방법에서, 화학적 기계적 연마 공정으로 구리배선(200)을 형성하는데, 이때 구리배선(200)의 노출로 인한 구리배선 표면 산화(surface oxidation)로 인해 패드(pad)에 탐침(probe)을 꽂아 전기적 특성을 검사하기 위한 프로빙(probing) 공정 및 외부 소자와 연결하기 위한 본딩(bonding) 공정시 문제가 발생한다. 즉, 구리배선(200)의 표면이 산화된 상태에서 프로빙 공정을 진행하면 정확한 전기적 특성을 검사할 수 없는 문제가 있고, 본딩 공정을 진행하면 접촉불량 등의 문제가 있어 소자의 신뢰성을 저하시키게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 패드 마스크 공정 및 식각 공정으로 패드 영역의 패시베이션층(23)을 식각하여 패드 영역의 구리배선(200) 일부를 노출시킨 후에 노출된 구리배선(200) 상에 별도의 증착 공정, 마스크 공정 및 식각 공정을 실시하여 패드층(220)을 형성할 수 밖에 없다.
In the above-described conventional method, the
따라서, 본 발명은 듀얼 다마신(dual damascene) 공정으로 구리배선을 최종적으로 형성한 후, 별도의 패드층 형성 공정을 생략하므로 공정 단순화, 생산성 향상 및 비용 절감을 이룰 수 있는 반도체 소자의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있 다.
Therefore, since the present invention finally forms a copper wiring in a dual damascene process, a separate pad layer forming process is omitted, and thus a method of manufacturing a semiconductor device capable of simplifying the process, improving productivity, and reducing costs can be achieved. The purpose is to provide.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법은 층간 절연막의 일부를 식각하여 코아 영역 및 패드 영역에 듀얼 다마신 패턴을 형성하는 단계; 코아 영역의 듀얼 다마신 패턴은 충분히 매립되고 패드 영역의 듀얼 다마신 패턴은 듀얼 다마신 패턴의 상단보다 낮은 홈을 갖는 구리층을 형성하는 단계; 구리층 상에 구리확산방지 도전막 및 내산화 금속층을 형성하는 단계; 연마 공정으로 코아 영역 및 패드 영역의 듀얼 다마신 패턴 내에 구리배선을 형성하고, 패드 영역의 구리배선 상부에는 홈에 내산화 금속층이 남아 패드층이 형성되는 단계; 구리배선 및 패드층을 포함한 전체구조 상부에 패시베이션층을 형성하는 단계; 및 패드 영역의 패시베이션층을 식각하여 패드층을 노출시키는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention for achieving the above object comprises the steps of forming a dual damascene pattern in the core region and the pad region by etching a portion of the interlayer insulating film; The dual damascene pattern of the core region is sufficiently buried and the dual damascene pattern of the pad region forms a copper layer having a lower groove than the top of the dual damascene pattern; Forming a copper diffusion preventing conductive film and a metal oxide layer on the copper layer; Forming a copper wiring in the dual damascene pattern of the core region and the pad region by a polishing process, and forming a pad layer on the copper wiring of the pad region by leaving a metal oxide layer in the groove; Forming a passivation layer on top of the entire structure including a copper wiring and a pad layer; And etching the passivation layer of the pad region to expose the pad layer.
상기에서, 패드 영역의 듀얼 다마신 패턴의 선폭은 코아 영역의 듀얼 다마신 패턴의 선폭보다 넓으며, 구리층은 도금법으로 형성하며, 내산화 금속층은 알루미늄으로 형성한다.
In the above, the line width of the dual damascene pattern of the pad region is wider than the line width of the dual damascene pattern of the core region, the copper layer is formed by the plating method, the metal oxide layer is formed of aluminum.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various forms, and only the present embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention and to those skilled in the art. It is provided for complete information.
도 2a 내지 2d는 다마신 공정으로 구리배선을 형성하여 적용하는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.2A through 2D are cross-sectional views of devices for describing a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention, in which a copper wiring is formed and applied by a damascene process.
도 2a를 참조하면, 하부배선(42)이 형성된 기판(41) 상에 듀얼 다마신 공정을 수행하기 위한 다층의 절연막 예를 들어, 구리확산방지 절연막(43), 비아홀용 층간 절연막(44), 트렌치 식각정지막(45) 및 트렌치용 층간 절연막(46)이 적층되어 형성되고, 이러한 다층 구조의 절연막에 듀얼 다마신 공정에 의해 비아홀 및 트렌치로 이루어진 듀얼 다마신 패턴(47)을 형성한다. 듀얼 다마신 패턴(47)은 코아 영역(core region) 및 패드 영역(pad region)에 형성되며, 패드 영역의 듀얼 다마신 패턴(47)의 선폭이 코아 영역의 듀얼 다마신 패턴(47)의 선폭보다 넓게 형성된다.Referring to FIG. 2A, a multilayer insulating film for performing a dual damascene process on the
상기에서, 구리확산방지 절연막(43) 및 트렌치 식각정지막(45)은 SiC나 SiN으로 형성한다. 비아홀용 층간 절연막(44) 및 트렌치용 층간 절연막(46)은 유전상수 값이 1.5 ~ 4.0 정도인 저유전 산화물로 형성한다.In the above, the copper diffusion preventing insulating
도 2b를 참조하면, 듀얼 다마신 패턴(47)을 포함한 전체구조 상부 표면을 따라 제 1 구리확산방지 도전막(48) 및 구리 시드층(49)을 형성한다. 구리 도금법으로 듀얼 다마신 패턴(47)을 매립하여 구리층(50)을 형성하되, 듀얼 다마신 패턴(47)을 도금법으로 구리를 채울 때 선폭이 넓은 패드 영역의 듀얼 다마신 패턴(47)에 채워지는 구리가 듀얼 다마신 패턴(47)의 상단보다 낮도록 하여 홈(groove)이 형성되도록 하고, 선폭이 작은 코아 영역의 듀얼 다마신 패턴(47)에는 충분히 채워지도록 한다. 이로 인하여, 구리층(50)은 코아 영역의 듀얼 다마신 패턴(47)에는 구리가 충분히 채워져 형성되고, 패드 영역의 듀얼 다마신 패턴(47)에는 구리가 덜 채워져 상단에 홈을 갖도록 형성된다. 홈의 깊이 및 넓이는 구리 도금법의 조건을 조절함에 따라 원하는 깊이 및 넓이로 형성할 수 있다. 이러한 구리층(50) 상부에 제 2 구리확산방지 도전막(51) 및 내산화 금속층(52)을 순차적으로 형성한다.Referring to FIG. 2B, a first copper diffusion preventing
상기에서, 제 1 및 제 2 구리확산방지 도전막(48 및 51)은 Ta 또는 TaN/Ta으로 형성한다. 내산화 금속층(52)은 알루미늄과 같이 전도성이 우수한 금속으로 형성하는 것이 바람직하다.In the above, the first and second copper diffusion preventing
도 2c를 참조하면, 화학적 기계적 연마 공정을 트렌치용 층간 절연막(46)의 표면이 노출될 때까지 실시하여 코아 영역 및 패드 영역의 듀얼 다마신 패턴(47) 내에 구리배선(500)을 형성한다. 이때 패드 영역의 듀얼 다마신 패턴(47) 내에 형성되는 구리배선(500) 상부에는 홈에 제 2 구리확산방지 도전막(51) 및 내산화 금속층(52)이 남게되어 패드 영역에만 내산화 금속층(52)으로 된 패드층(520)이 형성된다. 즉, 코아 영역에는 구리배선(500)만 형성되고, 패드 영역에는 구리배선(500)/제 2 구리확산방지 도전막(51)/내산화 금속층(52)이 적층된 구조로 형성된다.Referring to FIG. 2C, the chemical mechanical polishing process is performed until the surface of the trench
도 2d를 참조하면, 구리배선(500) 및 패드층(520)을 포함한 전체구조 상부에 단층 또는 다층 구조의 패시베이션층(53)을 형성하고, 패드 마스크 공정 및 식각 공정으로 패드 영역의 패시베이션층(53)을 식각하여 패드 영역의 구리배선(500) 상에 형성된 패드층(520)을 노출시킨다. 이후, 패드층(520)에 통상의 공정인 프로빙(probing) 공정 및 본딩(bonding) 공정 등을 실시한다. 프로빙 공정 및 본딩 공정시 프로빙 및 본딩은 패드층(520) 위에 되도록 한다.
Referring to FIG. 2D, a passivation layer 53 having a single layer or a multilayer structure is formed on the entire structure including the
상술한 바와 같이, 본 발명은 듀얼 다마신 패턴을 도금법으로 구리를 채울 때 선폭이 넓은 패드 영역의 듀얼 다마신 패턴에 채워지는 구리가 듀얼 다마신 패턴의 상단보다 낮도록 하여 홈이 형성되도록 하고, 이러한 구리층 상에 구리확산방지 도전막 및 내산화 금속층을 형성하고, 이후 연마 공정으로 구리배선을 형성하는데, 패드 영역의 구리배선 상부는 내산화 금속층으로 덮이는 구조가 되어 구리배선과 내산화 금속층으로 된 패드층이 동시에 형성되므로, 기존의 패드 영역에서 구리배선의 노출로 인한 구리배선 표면 산화 방지를 위해 별도의 패드층 증착 공정, 마스크 공정 및 식각 공정을 생략할 수 있어 공정 단순화로 인한 생산성 향상 및 비용 절감을 이룰 수 있다.As described above, in the present invention, when the copper is filled with the dual damascene pattern by the plating method, the copper filled in the dual damascene pattern of the wide pad area is lower than the upper end of the dual damascene pattern so that the groove is formed. A copper diffusion preventing conductive film and a metal oxide-resistant layer are formed on the copper layer, and then copper wiring is formed by a polishing process. The upper copper wiring of the pad region is covered with a metal oxide-resistant layer so that the copper wiring and the oxidation resistant layer are formed. Since a pad layer made of a metal layer is formed at the same time, a separate pad layer deposition process, a mask process and an etching process can be omitted in order to prevent oxidation of the copper wiring surface due to the exposure of the copper wiring in the existing pad region. Improvements and cost savings can be achieved.
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