KR100595142B1 - 화학적 기계적 연마 공정의 층간 절연막 미세 균열을방지하기 위한 반도체 소자의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학적 기계적 연마 공정에서 발생하는 층간 절연막의 미세 균열을 방지하기 위한 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 제조 방법은 층간 절연막을 두 번으로 나누어 증착하고 그 중간에 균열 차단막을 증착한다. 층간 절연막의 제1 증착 두께는 연마 목표면의 높이보다 크며, 따라서 균열 차단막도 연마 목표면의 위쪽에 형성된다. 균열 차단막은 층간 절연막의 미세 균열이 더 이상 아래쪽으로 진행하지 않도록 차단하여 미세 균열로 인하여 초래되는 금속 배선의 부식, 감광막의 도포 불량 등을 방지하고, 반도체 소자의 수율과 공정 마진을 증가시킨다.

화학적 기계적 연마 공정, 층간 절연막, 미세 균열, 균열 차단막, 연마 목표면

Description

화학적 기계적 연마 공정의 층간 절연막 미세 균열을 방지하기 위한 반도체 소자의 제조 방법{Semiconductor Device Fabrication Method for Preventing Micro Crack of Dielectric Layer in Chemical Mechanical Polishing Process}

도 1은 화학적 기계적 연마 장치의 일반적인 구조를 개략적으로 나타내는 사시도이다.

도 2는 종래 기술에 따른 화학적 기계적 연마 공정에서 발생하는 층간 절연막의 미세 균열을 개념적으로 나타내는 단면도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 개념적으로 나타내는 단면도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 나타내는 공정 흐름도이다.

<도면에 사용된 참조 번호의 설명>

10: 화학적 기계적 연마 장치 11: 연마 테이블

12: 연마 패드 13: 웨이퍼 캐리어

14: 연마액 공급기 15: 연마액

20, 30: 웨이퍼 21, 31: 금속 배선

22, 32: 층간 절연막 23: 연마액 입자

24: 이물질 25, 35: 미세 균열

37: 균열 차단막 38: 연마 목표면

본 발명은 반도체 소자의 제조 기술에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 화학적 기계적 연마 공정에서 발생하는 층간 절연막의 미세 균열을 방지하기 위한 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다.

반도체 제조 공정에서 웨이퍼 표면의 평탄화 공정은 반도체 소자의 고집적화, 초소형화에 매우 중요한 역할을 하는 공정이다. 반도체 웨이퍼는 다층 배선 구조로 형성되는데 각 층간 평탄도가 나쁘면 배선간 접촉에 악영향을 주게 된다. 또한, 회로 선폭의 미세화에 따라 반도체 웨이퍼의 광역 평탄화 기술이 필요하다. 이러한 필요에 의하여 개발된 것이 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 기술이다. 화학적 기계적 연마 기술은 화학적인 작용과 기계적인 작용이 동시에 이루어지면서 웨이퍼의 표면을 연마하는 방식이다.

도 1은 화학적 기계적 연마 장치(10)의 일반적인 구조를 개략적으로 나타내는 사시도이다.

도 1을 참조하면, 화학적 기계적 연마 장치(10)는 연마 패드(12)에 의한 기계적 작용과, 연마액(15)에 의한 화학적 작용을 이용하여 웨이퍼(20)를 연마한다. 연마 패드(12, polishing pad)는 연마 테이블(11, polishing table) 위에 부착되며, 연마액(15, slurry)은 연마액 공급기(14)에 의하여 공급된다. 웨이퍼(20)는 웨이퍼 캐리어(13, wafer carrier)에 장착된다.

연마 테이블(11)은 단순히 회전 운동을 하고 웨이퍼 캐리어(13)는 회전 운동과 요동 운동을 동시에 수행한다. 웨이퍼 캐리어(13)에 장착된 웨이퍼(20)는 웨이퍼 캐리어(13)의 자체 하중과 인가되는 가압력에 의해 연마 패드(12)와 접촉하게 된다. 웨이퍼(20)와 연마 패드(12)의 접촉면 사이로 연마액(15)이 유입되면서, 연마액(15)에 함유된 연마액 입자와 연마 패드(12)의 표면 돌기들에 의해 기계적인 제거 작용이 일어나고, 연마액(15) 내의 화학성분에 의해 화학적인 제거 작용이 이루어진다.

그런데 이러한 화학적 기계적 연마 공정에서는 종종 층간 절연막에 미세 균열이 발생하고 있고, 이로 인하여 여러 문제가 나타나고 있다.

도 2는 종래 기술에 따른 화학적 기계적 연마 공정에서 발생하는 층간 절연막(22)의 미세 균열을 개념적으로 나타내는 단면도이다.

도 2를 참조하면, 웨이퍼(20)에는 소정의 하부 구조(도시되지 않음)가 형성되어 있고, 하부 구조 위에 금속 배선(21)이 형성된다. 금속 배선(21)을 포함하여 하부 구조 위에는 층간 절연막(22)이 충분한 두께로 증착된다. 층간 절연막(22)은 금속 배선(21)의 영향으로 표면 굴곡을 가진다.

이러한 구조를 가지는 웨이퍼(20)를 대상으로 화학적 기계적 연마 공정을 진행할 때, 웨이퍼(20)와 연마 패드(도 1의 12) 사이에는 연마액(도 1의 15) 내부에 함유된 연마액 입자(23)가 유입되며 그 밖의 이물질(24)들도 유입될 수 있다. 한편, 연마 테이블(도 1의 11)과 웨이퍼 캐리어(도 1의 13)는 고속으로 회전하면서 연마 공정을 진행한다. 따라서 연마액 입자(23)와 이물질(24)로 인하여 층간 절연막(22)에 전단 응력이 발생하고, 이는 층간 절연막(22)에 미세 균열(25)을 유발하게 된다. 도면에서 참조 번호 26번은 연마 테이블과 웨이퍼 캐리어의 회전에 따라 발생하는 전단 응력의 방향을 나타낸다.

층간 절연막(22)에 발생하는 미세 균열(25)은 후속 공정에서 사용되는 화학 용액의 유입 경로로 작용하여 금속 배선(21)의 부식을 유발하거나 감광막의 도포 불량에 따른 비정상적인 식각을 초래하여, 결국 반도체 소자의 수율 저하의 원인이 되고 있다.

따라서 본 발명의 목적은 화학적 기계적 연마 공정에서 발생하는 층간 절연막의 미세 균열로부터 초래되는 종래 기술의 여러 가지 문제점들을 해결하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 화학적 기계적 연마 공정과 관련하여 반도체 소자의 수율과 공정 마진을 증가시킬 수 있는 반도체 소자의 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 층간 절연막을 증착하는 도중에 균열 차단막을 형성시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법은, 소정의 하부 구조가 형성된 웨이퍼 상에 금속 배선을 형성하는 단계와, 금속 배선이 형성된 웨이퍼의 전면에 층간 절연막을 제1 두께 만큼 증착하는 단계와, 제1 두께를 가지는 층간 절연막 위에 균열 방지막을 증착하는 단계와, 균열 방지막 위에 층간 절연막을 다시 제2 두께 만큼 증착하는 단계와, 화학적 기계적 연마 공정을 진행하여 층간 절연막을 연마 목표면까지 연마하는 단계를 포함하여 구성된다.

특히, 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 화학적 기계적 연마 공정의 초기에 발생하는 층간 절연막의 미세 균열이 균열 차단막에 의하여 차단되고, 화학적 기계적 연마 공정에 의하여 균열 차단막이 최종적으로 제거되는 것이 특징이다.

본 발명에 다른 반도체 소자의 제조 방법에 있어서, 층간 절연막의 제1 증착 두께는 연마 목표면의 높이보다 큰 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법에 있어서, 균열 차단막은 층간 절연막과 다른 종류의 산화물로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법에 있어서, 균열 차단막은 금속 물질로 이루어질 수 있다. 이 경우, 균열 차단막은 화학적 기계적 연마 공정으로 제거할 수 있는 두께를 가지는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 균열 차단막의 두께가 최대 500Å이하이다.

실시예

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 보다 명확히 전달하기 위함이다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 다소 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 개념적으로 나타내는 단면도이다. 그리고 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 나타내는 공정 흐름도이다.

도 3과 도 4를 참조하면, 소정의 하부 구조(도시되지 않음)가 형성된 웨이퍼(30) 상에 금속 배선(31)을 형성한다(41). 이어서, 금속 배선(31)이 형성된 웨이퍼(30) 전면에 층간 절연막(32)을 제1 두께(32a) 만큼 증착한다(42). 이어서, 제1 두께(32a)를 가지는 층간 절연막(32) 위에 균열 방지막(37)을 증착한다(43). 계속해서, 균열 방지막(37) 위에 층간 절연막(32)을 다시 제2 두께(32b) 만큼 증착한다(44). 그리고 나서, 화학적 기계적 연마 공정을 진행하여 층간 절연막(32)을 연마 목표면(38)까지 연마한다(45).

화학적 기계적 연마 공정을 진행할 때 층간 절연막(32)에서 발생하는 미세 균열(35)은 연마액 입자와 이물질이 층간 절연막(32)의 표면 굴곡과 작용하면서 전단 응력을 유발하기 때문에 생긴다. 그러므로 미세 균열(35)은 화학적 기계적 연마 공정의 초기에 발생한다. 따라서 연마 목표면(38) 위쪽에 균열 차단막(37)을 형성시켜 주면, 화학적 기계적 연마 공정의 초기에 발생하는 미세 균열(35)이 균열 차단막(37)에 의하여 더 이상 아래쪽으로 진행하지 않는다. 그리고 나서 화학적 기계적 연마 공정을 계속 진행하면, 소기의 역할을 수행한 균열 차단막(37)은 층간 절연막(32)과 함께 제거되어 최종 구조에는 남지 않게 된다.

균열 차단막(37)은 층간 절연막(32)과 서로 다른 물질로 형성하는 것이 바람직하다. 층간 절연막(32)은 BPSG, TEOS와 같은 산화물로 이루어지고, 균열 차단막(37)은 이와 다른 종류의 산화물 또는 금속 물질로 이루어진다. 금속 물질을 균열 차단막(37)으로 적용할 경우, 균열 차단막(37)은 산화물을 대상으로 하는 화학적 기계적 연마 공정으로도 제거할 수 있을 만큼 얇은 두께를 가져야 한다. 일례를 들어, 금속 물질의 균열 차단막(37)은 최대 500Å 이하의 두께를 가진다. 전술한 바와 같이 화학적 기계적 연마 공정 후의 최종 구조에는 균열 차단막(37)이 남지 않는다. 따라서 층간 절연막(32)의 유전율 증가에 대한 염려 없이 금속 물질을 균열 차단막(37)에 적용할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 반도체 소자 제조 방법에서는 층간 절연막(32)을 두 번으로 나누어 증착하고 그 중간에 균열 차단막(37)을 증착한다. 이 때, 층간 절연막(32)의 제1 증착 두께(32a)는 연마 목표면(38)의 높이보다 크며, 따라서 균열 차단막(37)도 연마 목표면(38)의 위쪽에 형성된다. 경우에 따라서는 본 실시예에서 예시한 층간 절연막(32)을 증착하기 전에 다른 종류의 층간 절연막(예컨대, SOG, FSG, USG)을 미리 증착할 수도 있다.

지금까지 실시예를 통하여 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 화학적 기계적 연마 공정의 초기에 발생하는 미세 균열이 균열 차단막에 의하여 더 이상 아래쪽으로 진행하지 않는 효과를 가진다. 따라서 층간 절연막의 미세 균열로 인하여 초래되는 종래의 문제점들, 예컨대 금속 배선의 부식, 감광막의 도포 불량 등을 방지할 수 있고, 반도체 소자의 수율을 향상시킬 수 있다. 또한, 화학적 기계적 연마 공정의 공정 마진을 증가시킬 수 있다.

아울러, 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 화학적 기계적 연마 공정 후의 최종 구조에 균열 차단막이 남지 않으므로, 층간 절연막의 유전율 증가에 대한 염려 없이 균열 차단막을 자유롭게 적용할 수 있으며, 산화물 외에 금속 물질을 사용할 수 있다.

본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (6)

1. 소정의 하부 구조가 형성된 웨이퍼 상에 금속 배선을 형성하는 단계;

   상기 금속 배선이 형성된 상기 웨이퍼의 전면에 층간 절연막을 제1 두께 만큼 증착하는 단계;

   상기 제1 두께를 가지는 상기 층간 절연막 위에 화학적 기계적 연마 공정으로 제거할 수 있는 두께를 가진 금속으로 이루어진 균열 방지막을 증착하는 단계;

   상기 균열 방지막 위에 상기 층간 절연막을 다시 제2 두께 만큼 증착하는 단계; 및

   화학적 기계적 연마 공정을 진행하여 상기 층간 절연막을 연마 목표면까지 연마하는 단계를 포함하며,

   상기 화학적 기계적 연마 공정의 초기에 발생하는 상기 층간 절연막의 미세 균열이 상기 균열 차단막에 의하여 차단되고, 상기 화학적 기계적 연마 공정에 의하여 상기 균열 차단막이 최종적으로 제거되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 층간 절연막의 상기 제1 증착 두께는 상기 연마 목표면의 높이보다 큰 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서, 상기 균열 차단막의 두께는 최대 500Å 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.

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