KR100639073B1 - 선택적 다마신을 이용한 반도체 금속 배선의 형성방법 - Google Patents
선택적 다마신을 이용한 반도체 금속 배선의 형성방법 Download PDFInfo
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Abstract
개시된 본 발명은, 반도체 소자의 금속 배선과 MEMS 구조체 제작에 있어서, 도금 억제를 위해 절연 물질을 도포하는 다마신(damascene) 공정을 수행함으로써 화학적 기계적 연마 또는 추가적 리소그라피 작업 없이 원하는 곳에만 반도체 금속 배선을 제작하도록 함으로써, 안정적이고 비용 측면에서도 효과적이며, 간편한 공정을 제시하는 선택적 다마신을 이용한 반도체 금속 배선의 형성방법에 관한 것이다. 본 발명은, 반도체 기판상의 절연층에 구비된 비아와 트렌치에 금속 배선을 형성하는 방법에 있어서, (a) 상기 비아와 트랜치가 구비된 제1 절연층의 전면에 금속 시드층을 증착하는 단계; (b) 상기 금속 시드층에 선택적으로 절연 물질을 접촉 인쇄하여 제2 절연층을 형성하는 단계; (c) 상기 금속 시드층에 전기 도금을 통하여 비아와 트렌치를 금속으로 채우는 단계; (d) 상기 제2 절연층을 제거하는 단계; (e) 상기 제2 절연층 아래의 상기 금속 시드층을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
반도체, 소자, 금속, 배선, 도금, 절연, 다마신, 절연층, 시드층, 도포
Description
도 1a 내지 도 1d는 종래의 반도체 금속 배선을 형성하는 화학적 기계적 연마법을 사용한 듀얼 다마신 공정도이다.
도 2a 내지 도 2f는 종래의 추가적인 리소그라피 공정을 포함하는 선택적 다마신을 이용한 반도체 금속 배선 공정도이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 선택적 다마신을 이용한 반도체 금속 배선의 공정도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
101, 201, 301 : 기판 102 : 절연층
202 : 제 1 포토레지스트 103, 203, 303 : 비아(via)
104, 204, 304 : 트렌치(trench) 105, 205, 305 : 금속 시드층
206 : 제 2 포토레지스트 306 : 제2 절연층
307 : 롤러 302 : 제1 절연층
본 발명은 반도체 금속 배선을 형성하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 소자의 금속 배선과 MEMS 구조체 제작에 있어서, 화학적 기계적 연마 또는 추가적 리소그라피 작업 없이 원하는 곳에만 반도체 금속 배선을 형성하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자의 금속 배선은 알루미늄(Al)이 사용되어 왔다. 그러나 알루미늄은 비저항이 크고, 신뢰성이 떨어져 현재의 고집적화, 소형화의 추세에서 사용되기 어려워져, 그를 대체하는 금속으로 구리(Cu)가 나타나게 되었다.
구리는 알루미늄에 비해 전기적 특성이나 신뢰성 면에서 특성이 우수함이 입증되었으나, 건식 식각(dry etching)이 어렵다는 큰 문제점이 있었다. 따라서 건식 식각 공정 없이 플러그와 배선을 동시에 형성할 수 있는 방법에 대하여 활발히 연구가 진행되고 있는데, 그러한 공정을 듀얼 다마신(dual damascene)공정이라 부른다.( "Silicon Processing for the VLSI Era Volume-4 Deep-Submicron Process Technology", 583~584pp, Stanley Wolf저 )
기존의 구리 듀얼 다마신 공정을 이하, 첨부된 도면을 참고하여 설명하면 다음과 같다.
도 1a 내지 도 1d는 종래의 화학적 기계적 연마법(CMP)에 의한 반도체 소자의 금속 배선 제조 방법을 나타낸 공정 단면도이다.
도 1a에 도시한 바와 같이, 소정의 하부구조물을 구비하는 반도체 기판(101) 상에 형성되어 있는 절연층(102) 상에 비아(103)와 트렌치(104)를 포함하는 패턴을 형성한다.
도 1b에 도시한 바와 같이, 상기 패터닝된 절연층(102)에 금속 시드층(105)을 증착한다.
도 1c에 도시한 바와 같이, 상기 증착된 금속 시드층(105)에 전면 도금(106)을 한다.
도 1d에 도시한 바와 같이, 상기 형성된 도금층(106)을 화학적 기계적 연마법으로 연마하여 플러그와 금속 배선을 형성한다.
그러나, 이러한 종래의 화학적 기계적 연마법은 전면 도금을 한 뒤, 최상층의 도금된 금속층을 다시 연마하여 제거하기 때문에 도금 및 화학적 기계적 연마에 소요되는 재료, 공정, 시간, 소요 비용이 커지게 되는 문제점이 있었다.
한편, 초고주파 회로, 의료 진단 소자, 광학 소자 등의 다양한 분야에서 연구되고 있는 MEMS(Micro Electro Mechanical System)의 공정은 기존의 반도체 공정에 기반을 두고 있지만, 화학적 기계적 연마법과 차이점이 존재한다.
소자가 보통 수 마이크로 미터에서 수백 마이크로미터까지의 비교적 큰 크기를 가짐에 따른, 두꺼운 포토레지스트 공정, 두꺼운 도금 공정과, 희생층을 사용하고, 릴리즈(Release)를 하여 삼차원적 구조를 형성하는 공정과 같은 것이 대표적인 MEMS 구조체의 특화된 공정이다.
특히 요즘은 CMOS 공정과 컴패터블(compatible)한 MEMS공정이 주목받아 포토레지스트를 몰드로 하여 두꺼운 구조체를 제작하는 기술이 많이 사용되고 있다. 그런데, 포토레지스트를 몰드로 사용하여 다층의 구조체를 제작하는 공정은 상당히 어려워 아직도 계속 연구 중인 과제이다.
앞에서 설명한 반도체의 금속 배선의 경우와 같이 화학적 기계적 연마를 통한 공정은 포토레지스트의 부드러운 특성 때문에 연마 도중 하부 구조가 손상되어 소자 제작에 실패하는 문제가 있었다.
따라서 화학적 기계적 연마 없이 금속 구조체를 제작하기 위해 도 2a 내지 도 2f와 같은 공정이 제안되기도 하였다. 제안된 발명은 대한민국 등록특허 제 0,449,026호에 개시된 발명이다.
도면을 참조하여 상기 공정을 설명하면 다음과 같다.
도 2a에 도시한 바와 같이, 소정의 하부 구조물을 포함하는 반도체 기판(201) 상에 포토레지스트를 도포하고 패터닝하여 비아(203)와 트렌치(204)를 포함하는 제 1 포토레지스트 몰드(202)를 제작한다.
도 2b에 도시한 바와 같이, 상기 패터닝된 제 1 포토레지스트 몰드(202)에 도금을 위한 금속 시드층(205)을 증착한다.
도 2c에 도시한 바와 같이, 상기 증착된 금속 시드층(205)에 제 2 포토레지스트(206)를 도포한다.
도 2d에 도시한 바와 같이, 상기 도포된 제 2 포토레지스트(206)를 패터닝하여 최상층의 금속 시드층을 도금이 되지 않도록 막는다.
도 2e에 도시한 바와 같이, 도금을 하여 제 1 포토레지스트 몰드(202)의 비아(203)와 트렌치(204)를 금속으로 채워 소정의 구조체를 형성한다.
도 2f에 도시한 바와 같이, 제 2 포토레지스트(206)와 최상층의 금속 시드층(205)을 에칭하여 제거한다.
이와 같이 공정을 수행할 경우의 가장 큰 문제점은 추가의 리소그라피 공정에 의해 비용이 많이 상승하게 된다는 것이며 또한, 하부의 제 1 포토레지스트(202)가 제 2포토레지스트(206)의 열 공정을 수행할 때 유동하여 금속 시드층(205)이 끊어지게 되는 문제점이 있게 된다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래의 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, 도금 억제를 위해 절연 물질을 도포하는 다마신(damascene) 공정을 수행함으로써 화학적 기계적 연마 또는 추가적 리소그라피 작업 없이 원하는 곳에만 반도체 금속 배선을 제작하도록 함으로써, 안정적이고 비용 측면에서도 효과적이며, 간편한 공정을 제시하는 선택적 다마신을 이용한 반도체 금속 배선의 형성방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 선택적 다마신을 이용한 반도체 금속 배선의 형성방법은, 반도체 기판상의 절연층에 구비된 비아와 트렌치에 금속 배선을 형성하는 방법에 있어서, (a) 상기 비아와 트랜치가 구비된 제1 절연층의 전면에 금속 시드층을 증착하는 단계; (b) 상기 금속 시드층에 선택적으로 절연 물질을 접촉 인쇄하여 제2 절연층을 형성하는 단계; (c) 상기 금속 시드층에 전기 도금을 통하여 비아와 트렌치를 금속으로 채우는 단계; (d) 상기 제2 절연층을 제거하는 단계; (e) 상기 제2 절연층 아래의 상기 금속 시드층을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 절연층은 실리콘 산화물, 질화물, 포토레지스트 또는 유기 폴리머중 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다.
상기 절연 물질은 접착력이 있는 잉크 또는 SAM(Self Assembled Monolayer) 물질인 것이 바람직하다.
상기 접촉 인쇄는, 롤러 또는 스탬프를 이용하는 것이 바람직하다.
상기 제2 절연층을 제거하는 방법은 전용 용매를 사용해 습식 식각하는 방법, 건식 식각하는 방법, 또는 약한 연마로 제거하는 방법중 적어도 어느 하나의 방법인 것이 바람직하다.
또한, 평탄도를 향상시키기 위하여 화학적 기계적 연마를 추가로 진행하는 방법을 더 포함한다.
본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 명확하게 이해될 것이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 선택적 다마신을 이용한 반도체 금속 배선의 각 공정별 단면도로서, 이를 설명하면 다음과 같다.
도 3a에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(301) 상에 비아(303)와 트렌치(304)를 포함하는 제1 절연체(302) 위에 금속 시드층(305)을 증착한다.
도 3b에 도시한 바와 같이, 증착된 금속 시드층(305)의 최상층은 도금이 되지 않아야 하므로 도금을 막아줄 수 있는 절연 물질을 코팅하여 제2 절연층(306)을 형성한다.
이때, 제1 절연층(302)을 형성하는 절연물질은 실리콘 산화물, 질화물, 포토레지스트 또는 유기 폴리머중 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다.
또한, 제2 절연층(306)을 형성하는 절연 물질은 잉크 또는 SAM(Self Assembled Monolayer) 물질과 같이 금속 시드층(305)에 접착력이 좋은 물질을 포함한다.
본 실시예에서는 전사가 잘되는 잉크와 롤러(307)를 이용한 접촉 인쇄방식으로 코팅하였다.
이와 같이, 제2 절연층의 형성을 위한 절연 물질을 도포하는 방법은 롤러 또는 스탬프를 이용해 접촉 인쇄하는 방법이 바람직하다.
도 3c에 도시한 바와 같이, 최상층이 제2 절연층(306)으로 보호되는 금속 시드층(305)에 전기 도금을 수행하여 비아(303)와 트렌치(304)를 채워 금속 배선을 형성한다.
도 3d에 도시한 바와 같이, 절연층(306)을 전용 용매 또는 건식 식각하여 제거한다.
특히, 절연 물질을 제거하는 방법은 전용 용매를 사용해 습식 식각하는 방법, 건식 식각하는 방법, 또는 약한 연마로 제거하는 방법중 적어도 어느 하나의 방법인 것이 바람직하다.
이후, 도 3e에 도시한 바와 같이, 최상층의 금속 시드층(305)을 제거하여 금속 배선이 형성된 기판을 완성한다.
아울러, 평탄도를 향상시키기 위하여 화학적 기계적 연마를 추가로 진행하는 방법을 더 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 선택적 다마신을 이용한 반도체 금속 배선의 형성방법에 의하면, 절연 물질을 도금을 원하지 않는 부분에 도포함으로서 원하는 몰드 안에만 도금으로서 구조체를 형성할 수 있다. 이로서 화학적 기계적 연마 없이 다마신 공정을 수행하여 재료의 낭비를 줄여 비용 효과적이며 연마로 인한 공정의 어려움 없이 배선을 제작할 수 있다. 또한, 다양한 MEMS 구조체의 제작에 있어서도 금속 배선과 마찬가지로 쉽고 안정적인 공정을 제공하는 다양한 효과가 있다.
Claims (6)
- 반도체 기판상의 절연층에 구비된 비아와 트렌치에 금속 배선을 형성하는 방법에 있어서,(a) 상기 비아와 트랜치가 구비된 제1 절연층의 전면에 금속 시드층을 증착하는 단계;(b) 상기 금속 시드층에 선택적으로 절연 물질을 접촉 인쇄하여 제2 절연층을 형성하는 단계;(c) 상기 금속 시드층에 전기 도금을 통하여 비아와 트렌치를 금속으로 채우는 단계;(d) 상기 제2 절연층을 제거하는 단계; 및(e) 상기 제2 절연층 아래의 상기 금속 시드층을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 다마신을 이용한 반도체 금속 배선의 형성방법.
- 제1항에 있어서,상기 제1 절연층은,실리콘 산화물, 질화물, 포토레지스트 또는 유기 폴리머중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 선택적 다마신을 이용한 반도체 금속 배선의 형성방법.
- 제1항에 있어서,상기 절연 물질은,접착력이 잇는 잉크 또는 SAM(Self Assembled Monolayer) 물질인 것을 특징으로 하는 선택적 다마신을 이용한 반도체 금속 배선의 형성방법.
- 제1항에 있어서,상기 접촉 인쇄는,롤러 또는 스탬프를 이용하는 것을 특징으로 하는 선택적 다마신을 이용한 반도체 금속 배선의 형성방법.
- 제1항에 있어서,상기 제2 절연층을 제거하는 방법은,전용 용매를 사용해 습식 식각하는 방법, 건식 식각하는 방법, 또는 약한 연마로 제거하는 방법중 적어도 어느 하나의 방법인 것을 특징으로 하는 선택적 다마신을 이용한 반도체 금속 배선의 형성방법.
- 제1항에 있어서,상기 (e)단계 이후,(f) 평탄도를 향상시키기 위하여 화학적 기계적 연마 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 다마신을 이용한 반도체 금속 배선의 형성방법.
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2006
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