KR100688561B1 - Method for forming interconnections for semiconductor device - Google Patents

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Abstract

금속 배선을 형성하는 데 있어서, 층간절연막에 형성되어 있는 듀얼 다마신 패턴과 같은 요부 내에 배리어막 및 금속막을 차례로 형성하고 상기 금속막을 CMP하여 상기 요부 내에만 남아 있는 금속 배선층을 형성한 후 배리어막을 CMP 하기 전에 상기 금속 배선층을 플라즈마 처리하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관하여 개시한다. 상기 금속 배선층을 플라즈마 처리하는 동안 금속 배선층 내에서 압축 응력의 증가로 힐록(hillock)이 발생하고, 미세 패턴에서는 금속 그레인의 성장으로 금속 배선의 비저항이 감소한다. 이 때 발생한 힐록은 후속의 배리어막 및 층간절연막 CMP를 통해 제거되고, 후속 캡핑 절연막 형성시에는 힐록이 발생할 수 있는 취약 부분에서 전단계의 플라즈마 처리에 의해 이미 힐록이 발생된 후 제거되었기 때문에 힐록 발생이 크게 줄어들게 된다. In forming the metal wiring, a barrier film and a metal film are sequentially formed in a recess such as a dual damascene pattern formed in the interlayer insulating film, and the metal film is CMP to form a metal wiring layer remaining only in the recess, and then the barrier film is CMP. A metal wiring forming method of a semiconductor device comprising the step of performing a plasma treatment of the metal wiring layer before it is disclosed. During the plasma treatment of the metal wiring layer, a hilock occurs due to an increase in compressive stress in the metal wiring layer, and in the fine pattern, the resistivity of the metal wiring decreases due to the growth of metal grains. The heel lock generated at this time is removed through the subsequent barrier film and the interlayer insulating film CMP, and when the capping insulating film is formed, the heel lock is generated since the heel lock has already been removed by the plasma treatment of the previous step in the weak part where the heel lock may occur. Greatly reduced.

Cu, 힐록, 비저항, 그레인, 스트레스, EM, SM, CMP, 플라즈마 Cu, Hillock, Resistivity, Grain, Stress, EM, SM, CMP, Plasma

Description

반도체 소자의 금속 배선 형성 방법 {Method for forming interconnections for semiconductor device} Method for forming interconnection of semiconductor device {Method for forming interconnections for semiconductor device}

도 1a 내지 도 1g는 종래 기술에 따른 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다. 1A to 1G are cross-sectional views illustrating a metal wiring forming method according to a prior art according to a process sequence.

도 2a는 종래 기술에 따라 Cu 배선층을 형성한 후 그 위에 캡핑 절연막을 형성하였을 때, 상기 캡핑 절연막 위에 Cu 힐록들로 인한 표면 결함이 발생된 상태를 보여주는 사진이다. 2A is a photograph showing a state in which surface defects due to Cu hillocks are generated on the capping insulating layer when the capping insulating layer is formed thereon after forming the Cu wiring layer according to the related art.

도 2b는 종래 기술에 따라 Cu 배선층을 형성한 후 그 위에 캡핑 절연막을 형성하여 Cu 힐록이 생성된 후 다시 캡핑 절연막을 제거하였을 때 Cu 힐록을 보여주는 사진이다. Figure 2b is a photo showing the Cu hillock when the Cu wiring layer is formed in accordance with the prior art to form a capping insulating film thereon to remove the capping insulating film after the Cu hillock is formed.

도 3a는 종래 기술에 따라 Cu 배선층 형성을 형성하였을 때 Cu 힐록에 의해 블랙 비아(black via)가 발생한 것을 보여주는 사진이다. 3A is a photograph showing that black vias are generated by Cu hillock when the Cu wiring layer is formed according to the prior art.

도 3b는 종래 기술에 따라 Cu 배선층을 형성했을 때 인덕터(inductor) 패턴에서 Cu 힐록이 생성된 사진이다.3B is a photo of Cu hillock generated in an inductor pattern when the Cu wiring layer is formed according to the related art.

도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다. 4A through 4H are cross-sectional views illustrating a method of forming metal wirings of a semiconductor device in accordance with a preferred embodiment of the present invention.

도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명에 따른 금속 배선 형성 방법에 따라 Cu 배선 층을 형성하는 데 있어서, 전기도금 방법에 의하여 형성된 Cu막을 1차 CMP 한 후 플라즈마 처리한 결과 얻어진 Cu막 표면을 보여주는 사진이다. 5A and 5B are photographs showing the Cu film surface obtained as a result of plasma treatment after the first CMP of the Cu film formed by the electroplating method in forming the Cu wiring layer according to the metal wiring forming method according to the present invention, respectively. to be.

도 6은 본 발명에 따른 금속 배선 형성 방법에 따라 Cu 배선층을 형성하고 캡핑 절연막을 형성했을 때 Cu 힐록에 의한 표면 결함이 감소된 결과를 보여주는 사진이다. FIG. 6 is a photograph showing a result that surface defects caused by Cu hillocks are reduced when a Cu wiring layer is formed and a capping insulating layer is formed according to the metal wiring forming method according to the present invention.

도 7은 본 발명에 따른 금속 배선 형성 방법에 따라 Cu 배선층을 형성하는 데 있어서, 플라즈마 처리에 의하여 Cu막의 저항이 감소한 정도를 나타내는 그래프이다. 7 is a graph showing the degree to which the resistance of the Cu film is reduced by plasma treatment in forming a Cu wiring layer according to the metal wiring forming method according to the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명> <Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

100: 반도체 기판, 120: 도전층, 122: 식각 저지층, 124: 층간절연막, 126: 요부, 130: 배리어막, 142: 시드층, 144: 금속막, 144a: 플라즈마 처리된 금속막, 144b: 금속 배선층, 146: 플라즈마, 150: 캡핑 절연막. Reference Numerals 100: semiconductor substrate, 120: conductive layer, 122: etch stop layer, 124: interlayer insulating film, 126: recessed portion, 130: barrier film, 142: seed layer, 144: metal film, 144a: plasma treated metal film, 144b: Metal wiring layer, 146: plasma, 150: capping insulating film.

본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 다마신 공정에 의한 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것이다. TECHNICAL FIELD This invention relates to the manufacturing method of a semiconductor element. Specifically, It is related with the manufacturing method of the metal wiring of a semiconductor element by a damascene process.

고집적 반도체 소자 제조에 있어서 금속 배선 형성에 유용한 재료로서 구리(Cu)가 사용되고 있다. Cu의 비저항은 1.67 μohmㆍcm로 2.67 μohmㆍcm인 알루미늄(Al)보다 작기 때문에 작은 폭으로 형성하여도 신호 전달 속도를 증가시킬 수 있 으며, EM (electromigration)에 대한 저항이 커서 반도체 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 구리는 소비 전력이 작고 알루미늄에 비하여 저렴하여 배선 형성 재료로서 매우 유용한 것으로 알려져 있다. Copper (Cu) is used as a material useful for metal wiring formation in the manufacture of highly integrated semiconductor devices. Cu has a specific resistance of 1.67 μohm · cm, which is smaller than 2.67 μohm · cm of aluminum (Al), so that the signal transmission speed can be increased even if it is formed in a small width. Can improve. In addition, copper is known to be very useful as a wiring forming material because of its low power consumption and inexpensiveness compared with aluminum.

그런데, Cu는 식각하기 어려운 물질이며, 따라서 Cu막을 원하는 배선 모양으로 패터닝하기가 어렵다. 따라서, Cu 배선을 형성하기 위하여, 먼저 층간절연막 내에 원하는 형상으로 요부를 미리 형성한 후, 상기 요부를 Cu로 채우고 불필요한 부분을 CMP (chemical mechanical polishing) 등의 방법으로 제거하여 평탄화시키는 다마신 공정이 주로 이용된다. 특히, 비아(via) 트렌치와 그 상부에 중첩되는 배선용 트렌치를 형성한 다음, 1 회의 Cu막 형성으로 상기 2개의 트렌치를 모두 채우고 나서 평탄화시키는 이중 다마신 (dual damascene) 공정이 널리 이용되고 있다. However, Cu is a material that is difficult to etch, and therefore, it is difficult to pattern the Cu film into a desired wiring shape. Therefore, in order to form a Cu wiring, a damascene process is formed by first forming recesses in a desired shape in an interlayer insulating film, and then filling the recesses with Cu and removing unnecessary portions by a method such as chemical mechanical polishing (CMP). Mainly used. In particular, a dual damascene process of forming a via trench and a wiring trench overlapping an upper portion thereof, and then filling the two trenches with a single Cu film formation and then flattening them is widely used.

도 1a 내지 도 1g는 종래 기술에 따라 듀얼 다마신 공정에 의하여 Cu 배선을 형성하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 1A to 1G are cross-sectional views illustrating a method of forming a Cu wiring by a dual damascene process according to the prior art.

도 1a를 참조하면, 상부에 도전층(20)이 형성된 반도체 기판(10)상에 듀얼 다마신 구조의 요부(26)가 형성된 층간절연막(24)을 형성한다. 상기 층간절연막(24)에 상기 요부(26)를 형성하는 데 있어서 식각 저지층(22)을 이용할 수 있다. Referring to FIG. 1A, an interlayer insulating film 24 having a recess 26 having a dual damascene structure is formed on a semiconductor substrate 10 having a conductive layer 20 formed thereon. An etch stop layer 22 may be used to form the recess 26 in the interlayer insulating layer 24.

도 1b를 참조하면, 상기 요부(26)의 내벽 및 상기 층간절연막(24)의 상면 위에 도전성 배리어막(30)을 형성한다. Referring to FIG. 1B, a conductive barrier film 30 is formed on an inner wall of the recess 26 and an upper surface of the interlayer insulating film 24.

도 1c를 참조하면, 상기 도전성 배리어막(30) 위에 Cu 시드층(42)을 형성한다. Referring to FIG. 1C, a Cu seed layer 42 is formed on the conductive barrier layer 30.

도 1d를 참조하면, 상기 시드층(42)을 이용하는 전기도금 방법에 의하여 상 기 요부(26)를 채우기에 충분한 두께로 Cu막(44)을 형성한다. Referring to FIG. 1D, the Cu film 44 is formed to a thickness sufficient to fill the recess 26 by the electroplating method using the seed layer 42.

도 1e를 참조하면, CMP 공정을 이용하여 상기 Cu막(44) 중 상기 층간절연막(24) 상부의 불필요한 부분을 제거하여 상기 요부(26) 내부를 채우는 Cu 배선층(44a)을 형성한다. Referring to FIG. 1E, an unnecessary portion of the upper portion of the interlayer insulating film 24 of the Cu film 44 is removed using a CMP process to form a Cu wiring layer 44a filling the recess 26.

도 1f를 참조하면, CMP 공정에 의하여 상기 층간절연막(24)의 상면 위에 있는 도전성 배리어막(30)을 제거하여 상기 층간절연막(24)의 상면을 노출시킨다. Referring to FIG. 1F, the upper surface of the interlayer insulating layer 24 is exposed by removing the conductive barrier layer 30 on the upper surface of the interlayer insulating layer 24 by a CMP process.

도 1g를 참조하면, 상기 Cu 배선층(44a)의 상면 및 상기 층간절연막(24)의 상면을 덮도록 캡핑 절연막(50)을 형성한다. Referring to FIG. 1G, a capping insulating layer 50 is formed to cover the top surface of the Cu wiring layer 44a and the top surface of the interlayer insulating film 24.

상기 설명한 바와 같이, 종래 기술에 따른 금속 배선 형성 방법에서는 도 1g에서와 같이 캡핑 절연막(50)을 형성하게 되는데, 이 때의 공정 온도는 통상적으로 350 ∼ 400℃에서 진행된다. 그리고, 캡핑 절연막(50) 형성 직전에 CMP 표면에 생성된 구리 산화막의 제거를 위해 플라즈마를 처리하게 된다. 이 때의 높은 공정 온도와 플라즈마에 의해 형성된 라디칼들의 작용으로 웨이퍼의 온도가 상승하게 되고, 이로 인해 상기 Cu 배선층(44a)과 반도체 기판(10)간의 CTE (coefficient of thermal expansion) 값의 차이에 의해 상기 Cu 배선층(44a)에서는 압축 응력 (compressive stress)이 발생된다. 그 결과로서, 상기 Cu 배선층(44a)에서는 Cu의 일부 그레인 바운더리(boundary) 영역에서 Cu가 솟아올라 힐록(hillock)이 형성된다. As described above, in the metal wire forming method according to the related art, as shown in FIG. 1G, the capping insulating film 50 is formed. In this case, the process temperature is generally performed at 350 to 400 ° C. Then, plasma is treated to remove the copper oxide film formed on the CMP surface immediately before the capping insulating film 50 is formed. At this time, the temperature of the wafer is increased by the action of the high process temperature and the radicals formed by the plasma. As a result, a difference in the coefficient of thermal expansion (CTE) between the Cu wiring layer 44a and the semiconductor substrate 10 is caused. In the Cu wiring layer 44a, compressive stress is generated. As a result, in the Cu wiring layer 44a, Cu rises in some grain boundary regions of Cu to form a hillock.

도 2a는 종래 기술에 따라 Cu 배선층을 형성한 후 그 위에 캡핑 절연막을 형성하였을 때 상기 캡핑 절연막 위에 Cu 힐록들로 인한 표면 결함이 발생된 상태를 보여주는 사진이다. 2A is a photograph showing a state in which surface defects are generated due to Cu hillocks on the capping insulating layer when the capping insulating layer is formed thereon after forming the Cu wiring layer according to the related art.

도 2b는 종래 기술에 따라 Cu 배선층을 형성한 후 그 위에 캡핑 절연막을 형성하여 Cu 힐록이 생성된 후 다시 캡핑 절연막을 제거하였을 때 Cu 힐록을 보여주는 사진이다. Figure 2b is a photo showing the Cu hillock when the Cu wiring layer is formed in accordance with the prior art to form a capping insulating film thereon to remove the capping insulating film after the Cu hillock is formed.

상기와 같이 Cu 배선층에 힐록이 발생된 상태에서 그 위에 캡핑 절연막을 형성할 때 상기 힐록 주변에서 캡핑 절연막이 불균일한 두께로 증착될 수 있다. 이와 같이 불균일한 두께를 가지는 캡핑 절연막 부분은 건식 식각에 대하여 취약한 부분으로 될 수 있다. 예를 들면, 상기 Cu 배선층 위에 비아 콘택을 형성하기 위한 식각을 진행할 때 캡핑 절연막의 취약한 부분에서 우선적으로 식각이 진행되어 이 곳을 통해 세정액 또는 식각액 등이 침투하여 Cu 배선을 산화시키는 현상이 발생될 수 있다. 이와 같은 현상이 발생되면 이후 세정 공정시 산화된 Cu 배선층이 용해되어 제거됨으로써 도 3a에 나타낸 바와 같은 블랙비아(black via) 현상 등이 유발될 수 있다. 또한, 힐록이 발생된 Cu 배선층 위에 캡핑 절연막을 형성한 이후 행해지는 매 공정 단계 마다 시행하는 결함(defect) 검출시 이러한 힐록이 결함으로서 검출된다. 그 결과, 각 단계에서 시행되는 결함 검사에서 실질적인 결함 검출 능력이 저하되며, 치명적인 결함을 분별해내는 데 어려움이 생길 수 있다. As described above, when the capping insulation layer is formed on the Cu wiring layer in the state where the hillock is generated, the capping insulation layer may be deposited to have a non-uniform thickness around the hillock. Thus, the capping insulating film portion having a non-uniform thickness may be a portion vulnerable to dry etching. For example, when etching to form a via contact on the Cu wiring layer, etching is preferentially performed at a weak portion of the capping insulating layer, and a cleaning liquid or an etching solution penetrates through the place to oxidize the Cu wiring. Can be. When such a phenomenon occurs, a black via phenomenon as shown in FIG. 3A may be caused by dissolving and oxidizing the Cu wiring layer during the cleaning process. In addition, such a hillock is detected as a defect in the detection of a defect performed at every process step performed after the capping insulating film is formed on the Cu wiring layer on which the hillock has been generated. As a result, in the defect inspection performed at each step, the actual defect detection capability is lowered, and it may be difficult to distinguish a fatal defect.

상기와 같은 Cu 배선층에서의 힐록 발생은 Cu 배선의 두께가 높거나 패턴의면적이 클수록, 즉 전체적으로 Cu의 부피가 증가할수록 심각해진다. 예를 들면 비교적 큰 면적의 Cu 배선층 상면 위에 MIM (metal-insulator-metal) 구조의 커패시터를 형성하는 경우, 하부 Cu 배선층에서의 힐록으로 인하여 상기 MIM 커패시터의 유전막이 깨지는 현상이 발생되기도 한다. 이와 같은 현상이 발생되면 커패시터에서의 누설 전류가 증가하는 등 커패시터의 전기적 성능이 심각하게 열화된다. 또한 Cu 배선의 두께가 약 3 ∼ 5㎛로 높게 형성되는 인덕터(inductor)의 경우에도 Cu가 형성되는 패턴의 부피가 비교적 커서 Cu 배선에 큰 압축응력이 작용하여 도 3b에 나타낸 바와 같이 힐록 발생이 심화된다 The occurrence of hillock in the Cu wiring layer as described above is serious as the thickness of the Cu wiring is high or the area of the pattern is large, that is, the volume of Cu as a whole increases. For example, when a capacitor having a metal-insulator-metal (MIM) structure is formed on an upper surface of a relatively large Cu wiring layer, the dielectric film of the MIM capacitor may be broken due to the hillock in the lower Cu wiring layer. When this occurs, the capacitor's electrical performance is severely degraded, such as an increase in leakage current in the capacitor. In addition, in the case of an inductor in which the thickness of the Cu wiring is formed to be about 3 to 5 μm, the volume of the pattern on which the Cu is formed is relatively large, so that a large compressive stress acts on the Cu wiring, and as shown in FIG. Deepens

또한, 종래 기술에 따른 금속 배선 형성 방법에서는 도 1d와 같이 전기도금 방법을 이용하여 다마신 공정에 의한 금속 배선을 형성하는 데 있어서, 상기 요부(26)를 Cu로 채울 때, 전기도금 공정의 특성상 Cu막의 도금 직후(as plated) 상태의 Cu 그레인의 크기는 수 십 nm 정도로 작다. Cu막으로 이루어지는 배선층에서 비저항을 낮추기 위하여는 Cu막 내에서의 Cu 그레인 사이즈를 가능한 한 크게 하는 것이 바람직하다. 이 때문에 Cu 도금 후에 상기 Cu막(44) 내에서의 Cu 그레인 성장을 위하여 상기 Cu막(44)이 형성된 결과물을 어닐링(annealing)하는 단계를 거친다. 이 때, 어닐링 공정 온도는 통상적으로 약 100 ∼ 400℃의 범위 내에서 선택된다. 그런데, 상기 Cu막(44)은 상기 요부(26)를 채우는 부분 뿐 만 아니라 그 위에 과잉 도금된 Cu막을 포함하고 있으며, 어닐링 진행시에 이러한 과잉 도금된 Cu층에서 과도한 스트레스(stress)가 유발되고, 그 결과 상기 요부(26)를 채우던 Cu막 부분이 상기 요부(26)로부터 빠져 나오는 현상이 발생될 수 있다. 이와 같은 현상은 특히 미세한 사이즈의 다마신 패턴 형성 공정에서 빈번하게 발생되며, 어닐링 온도가 높을수록 발생 빈도가 높아진다. In the metal wiring forming method according to the prior art, when forming the metal wiring by the damascene process using the electroplating method as shown in Fig. 1d, when the recess 26 is filled with Cu, due to the characteristics of the electroplating process The size of Cu grains immediately after plating of the Cu film is as small as several tens of nm. In order to reduce the specific resistance in the wiring layer made of the Cu film, it is preferable to make the Cu grain size in the Cu film as large as possible. For this reason, after Cu plating, annealing of the resultant product on which the Cu film 44 is formed is performed for Cu grain growth in the Cu film 44. At this time, the annealing process temperature is usually selected within the range of about 100 to 400 ° C. However, the Cu film 44 includes not only a portion filling the recess 26 but also an overplated Cu film thereon, and an excessive stress is induced in the overplated Cu layer during annealing. As a result, a phenomenon in which the Cu film portion filling the recessed portion 26 comes out of the recessed portion 26 may occur. Such a phenomenon occurs frequently in the process of forming a damascene pattern of a particularly small size, and the higher the annealing temperature, the higher the frequency of occurrence.

상기와 같은 문제 발생을 억제하기 위하여, 전기도금 공정 후의 어닐링은 200℃ 이하의 온도하에서 진행하는 것이 전반적인 추세이다. 그러나, 이와 같이 낮은 어닐링 온도하에서는 특히 디자인룰 정도의 미세한 사이즈의 패턴에서는 Cu 그레인이 충분히 성장되지 못하게 된다. 이와 같은 현상으로 인하여 Cu의 비저항이 높아지는 문제가 발생된다. In order to suppress the occurrence of the above problems, the annealing after the electroplating process is a general trend to proceed at a temperature of 200 ℃ or less. However, under such a low annealing temperature, Cu grains do not grow sufficiently, especially in a pattern of a size as small as a design rule. This phenomenon causes a problem that the specific resistance of Cu is increased.

본 발명의 목적은 상기한 종래 기술에서의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 전기 도금에 의하여 형성된 Cu 배선층에서 캡핑 절연막 형성시 Cu 배선의 압축 응력으로 인한 힐록 발생을 감소시키고, 디자인룰 정도의 미세한 패턴을 형성하는 경우에도 Cu의 비저항을 감소시킬 수 있는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to solve the above problems in the prior art, it is possible to reduce the hillock generation due to the compressive stress of the Cu wiring when the capping insulating film is formed in the Cu wiring layer formed by electroplating, and the fine pattern of the design rule The present invention provides a method for forming a metal wiring of a semiconductor device that can reduce the specific resistance of Cu even when forming.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 양태에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에서는 기판상에 금속막을 형성한다. CMP를 이용하여 상기 금속막을 그 상부로부터 소정 두께 만큼 제거하여 평탄화된 금속막을 형성한다. 상기 평탄화된 금속막을 플라즈마 처리하여 상기 금속막으로부터 힐록이 생성되도록 한다. CMP를 이용하여 상기 힐록이 생성된 상기 금속막을 그 상부로부터 일부 제거하여 평탄화된 금속 배선층을 형성한다. In order to achieve the above object, in the metal wiring forming method of the semiconductor element according to the first aspect of the present invention, a metal film is formed on a substrate. The metal film is removed from the top by a predetermined thickness using CMP to form a flattened metal film. The planarized metal film is plasma treated to generate hillocks from the metal film. By using CMP, the metal film on which the hillock is formed is partially removed from the upper portion thereof to form a planarized metal wiring layer.

또한, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제2 양태에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에서는 반도체 기판상에 층간절연막을 형성한다. 상기 층간절연막 상면에 요부를 형성한다. 상기 요부의 내벽 및 상기 층간절연막의 상면에 배리어막을 형성한다. 상기 요부를 완전히 채우는 금속막을 상기 배리어막 위에 형성한다. 상기 금속막의 상면으로부터 일부가 제거되도록 상기 금속막을 연마한다. 상기 연마된 금속막을 플라즈마 처리한다. 상기 플라즈마 금속막 주위에서 상기 층간절연막의 상면이 노출되도록 상기 층간절연막 상면 위에 있는 배리어막을 연마한다. 상기 요부 내에 있는 상기 금속막의 상면과 상기 층간절연막의 상면 위에 캡핑 절연막을 형성한다. In addition, in order to achieve the above object, an interlayer insulating film is formed on a semiconductor substrate in the metal wiring forming method of the semiconductor element according to the second aspect of the present invention. A recess is formed on the upper surface of the interlayer insulating film. A barrier film is formed on the inner wall of the recess and on the upper surface of the interlayer insulating film. A metal film that completely fills the recess is formed on the barrier film. The metal film is polished to remove a portion from the upper surface of the metal film. The polished metal film is subjected to plasma treatment. The barrier film on the top surface of the interlayer insulating film is polished to expose the top surface of the interlayer insulating film around the plasma metal film. A capping insulating film is formed on the upper surface of the metal film and the upper surface of the interlayer insulating film in the recess.

또한, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제3 양태에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에서는 기판상에 금속막을 형성한다. CMP를 이용하여 상기 금속막을 그 상부로부터 소정 두께 만큼 제거하여 평탄화된 금속막을 형성한다. 상기 평탄화된 금속막을 플라즈마 처리하여 상기 금속막을 구성하는 금속 그레인을 성장시킨다. CMP를 이용하여 상기 금속 그레인이 성장된 상기 금속막을 그 상부로부터 일부 제거하여 평탄화된 금속 배선층을 형성한다. Moreover, in order to achieve the said objective, in the metal wiring formation method of the semiconductor element which concerns on the 3rd aspect of this invention, a metal film is formed on a board | substrate. The metal film is removed from the top by a predetermined thickness using CMP to form a flattened metal film. The planarized metal film is plasma treated to grow metal grains constituting the metal film. By using CMP, the metal film on which the metal grains are grown is partially removed from the top to form a planarized metal wiring layer.

바람직하게는, 상기 금속막은 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어진다. Preferably, the metal film is made of Cu or Cu alloy.

상기 금속막은 전기 도금 방법에 의해 형성될 수 있다. 상기 금속막을 전기 도금 방법에 의하여 형성한 후 상기 금속막을 약 100 ∼ 200℃의 범위 내에서 선택되는 온도하에서 어닐링하는 단계를 더 포함할 수 있다. The metal film may be formed by an electroplating method. After forming the metal film by the electroplating method may further comprise the step of annealing the metal film at a temperature selected within the range of about 100 ~ 200 ℃.

바람직하게는, 상기 금속막의 플라즈마 처리는 NH3, N2, H2, He, 또는 이들의 혼합물 분위기하에서 행해진다. 또한, 상기 금속막의 플라즈마 처리는 약 300 ∼ 450℃의 온도하에서 약 5 ∼ 60초 동안 행해질 수 있다. 상기 연마된 금속막을 플 라즈마 처리하는 단계는 상기 캡핑 절연막을 형성하는 단계의 공정 온도 또는 그 이상의 온도하에서 행해진다. Preferably, the plasma treatment of the metal film is performed in an atmosphere of NH 3 , N 2 , H 2 , He, or a mixture thereof. In addition, the plasma treatment of the metal film may be performed for about 5 to 60 seconds at a temperature of about 300 to 450 ℃. Plasma treating the polished metal film is performed at or above the process temperature of forming the capping insulating film.

상기 금속막의 플라즈마 처리 후 상기 배리어막을 연마하기 전에, 상기 금속막 표면을 다시 연마하는 추가 연마 단계와, 상기 추가 연마된 금속막의 노출 표면을 다시 플라즈마 처리하는 추가 플라즈마 처리 단계를 더 포함할 수 있다. The method may further include an additional polishing step of polishing the surface of the metal film again after the plasma treatment of the metal film, and an additional plasma treatment step of plasma treating the exposed surface of the additional polished metal film.

본 발명에 따른 금속 배선 형성 방법에 의하면, 금속막 위에 캡핑 절연막을 형성하기 전에 상기 금속막을 플라즈마 처리하여 상기 금속막의 일부 그레인 바운더리에서 압축 응력에 의해 힐록이 발생되도록 한다. 이 때, 디자인 룰 정도의 미세한 패턴, 예를 들면 수 ㎛ 내지 수 십 ㎛ 정도의 미세한 패턴에서는 추가로 그레인 성장이 이루어진다. 이와 같이 힐록 또는 그레인 성장이 이루어진 상태에서 층간절연막이 노출되도록 CMP를 진행하게 되면 힐록 또는 그레인 성장으로 인한 금속막 표면의 러프니스(roughness)는 제거된다. 따라서, 후속 공정에서 캡핑 절연막 형성시 힐록 발생을 줄일 수 있고, 상기 금속막으로 이루어지는 금속 배선에서의 저항을 감소시킬 수 있다. According to the metal wiring forming method according to the present invention, before the capping insulating film is formed on the metal film, the metal film is subjected to plasma treatment so that the hillock is generated by the compressive stress at some grain boundaries of the metal film. At this time, grain growth is further performed in the fine pattern of the design rule, for example, the fine pattern of several micrometers to several tens of micrometers. As such, when the CMP is performed to expose the interlayer insulating film while the hillock or grain growth is performed, roughness of the surface of the metal film due to the hillock or grain growth is removed. Therefore, it is possible to reduce the occurrence of hillock in the formation of the capping insulating film in a subsequent step, and to reduce the resistance in the metal wiring formed of the metal film.

다음에, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Next, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다. 4A through 4H are cross-sectional views illustrating a method of forming metal wirings of a semiconductor device in accordance with a preferred embodiment of the present invention.

도 4a를 참조하면, 상부에 도전층(120)이 형성된 반도체 기판(100)상에 듀얼 다마신 구조의 요부(126)가 형성된 층간절연막(124)을 형성한다. 상기 층간절연막 (124)에 상기 요부(126)를 형성하기 위하여 식각 저지층(122)을 이용할 수 있다. 상기 요부(126)는 도 4a에 예시된 바와 같이 상기 층간절연막(124)을 관통하는 홀을 구성할 수 있다. 또는, 도시하지는 않았으나, 상기 요부(126)는 상기 층간절연막(124)의 두께 보다 낮은 깊이를 가지는 트렌치(trench) 형태를 가지도록 형성될 수도 있다. Referring to FIG. 4A, an interlayer insulating layer 124 having a recess 126 having a dual damascene structure is formed on a semiconductor substrate 100 having a conductive layer 120 formed thereon. An etch stop layer 122 may be used to form the recess 126 in the interlayer insulating layer 124. The recess 126 may form a hole penetrating the interlayer insulating layer 124 as illustrated in FIG. 4A. Alternatively, although not illustrated, the recess 126 may be formed to have a trench shape having a depth lower than that of the interlayer insulating layer 124.

도 4b를 참조하면, 상기 요부(126)의 내벽 및 상기 층간절연막(124)의 상면 위에 도전성 배리어막(130)을 형성한다. 상기 도전성 배리어막(130)은 예를 들면 Ti, Ta, W, 및 이들의 질화물로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 또는 2 이상의 물질로 이루어질 수 있다. Referring to FIG. 4B, a conductive barrier layer 130 is formed on an inner wall of the recess 126 and an upper surface of the interlayer insulating layer 124. The conductive barrier layer 130 may be made of, for example, one or two or more materials selected from the group consisting of Ti, Ta, W, and nitrides thereof.

도 4c를 참조하면, 상기 도전성 배리어막(130) 위에 금속 시드층(142)을 형성한다. 예를 들면, Cu 또는 Cu 합금 배선을 형성하기 위하여 상기 금속 시드층(142)으로서 Cu 시드층을 형성할 수 있다. Referring to FIG. 4C, a metal seed layer 142 is formed on the conductive barrier layer 130. For example, a Cu seed layer may be formed as the metal seed layer 142 to form a Cu or Cu alloy interconnection.

도 4d를 참조하면, 상기 금속 시드층(142)을 이용하여 전기도금을 행하여 상기 금속 시드층(142) 위에 금속막(144)을 형성한다. 상기 금속막(144)은 예를 들면 Cu막 또는 Cu 합금막으로 이루어질 수 있다. 상기 금속막(144)은 상기 요부(126)를 채우기에 충분한 두께로 형성된다. Referring to FIG. 4D, an electroplating is performed using the metal seed layer 142 to form a metal film 144 on the metal seed layer 142. The metal film 144 may be formed of, for example, a Cu film or a Cu alloy film. The metal film 144 is formed to a thickness sufficient to fill the recess 126.

상기 금속막(144) 내에서의 금속 그레인 성장을 위하여 상기 금속막(144)이 형성된 결과물을 소정의 온도로 어닐링한다. 바람직하게는, 상기 어닐링은 약 100 ∼ 200℃의 온도로 행한다. In order to grow the metal grains in the metal film 144, the resultant on which the metal film 144 is formed is annealed to a predetermined temperature. Preferably, the annealing is performed at a temperature of about 100 to 200 ° C.

도 4e를 참조하면, 1차 CMP 공정을 이용하여 상기 금속막(144)의 일부를 연 마에 의해 제거하여 상기 요부(126) 내부에만 상기 금속막(144)이 남아 있도록 한다. Referring to FIG. 4E, a part of the metal film 144 is removed by polishing by using a first CMP process so that the metal film 144 remains only inside the recess 126.

도 4e에는 상기 1차 CMP 후 상기 반도체 기판(100)상의 층간절연막(124) 위에 상기 도전성 배리어막(130)이 남아 있는 결과물이 도시되어 있다. 그러나, 경우에 따라 상기 요부(126) 주위의 상기 층간절연막(124) 상면 위에서 상기 도전성 배리어막(130) 위에 상기 금속막(144)이 소정 두께 만큼 남아 있는 상태까지 상기 CMP를 진행할 수도 있다. FIG. 4E illustrates a result of the conductive barrier layer 130 remaining on the interlayer insulating layer 124 on the semiconductor substrate 100 after the first CMP. However, in some cases, the CMP may be performed on the upper surface of the interlayer insulating film 124 around the recess 126 until the metal film 144 remains a predetermined thickness on the conductive barrier film 130.

도 4f를 참조하면, 도 4e에 도시된 바와 같이 상기 층간절연막(124)의 상면 위에 상기 배리어막(130)이 남아 있는 상태에서 상기 요부(126)에 남아 있는 금속막(144)을 소정의 공정 온도하에서 소정의 시간 동안 플라즈마(146) 처리한다. 그 결과, 상기 요부(126) 내에 있는 플라즈마 처리된 금속막(144a)에는 상기 플라즈마(146) 처리에 의하여 상기 금속막(144)의 일부 그레인 바운더리에서 압축 응력에 의해 발생된 힐록이 존재하게 된다. 특히, 디자인 룰 정도의 미세한 패턴, 예를 들면 수 ㎛ 내지 수 십 ㎛ 정도의 미세한 패턴을 구성하는 상기 금속막(144)에서는 힐록 뿐 만 아니라 그레인 성장까지 이루어질 수도 있다. 또는, 도시하지는 않았으나 상기 층간절연막(124)의 상면 위에 상기 배리어막(130) 및 소정 두께의 금속막(144)의 일부가 남아 있는 상태에서 상기 금속막(144)을 플라즈마(146) 처리하여 상기 플라즈마 처리된 금속막(144a)을 형성할 수도 있다. Referring to FIG. 4F, as shown in FIG. 4E, the metal film 144 remaining in the recess 126 in the state where the barrier film 130 remains on the upper surface of the interlayer insulating film 124 is formed in a predetermined process. The plasma 146 is processed for a predetermined time under temperature. As a result, in the plasma-treated metal film 144a in the recess 126, the hillock generated by the compressive stress is present in some grain boundaries of the metal film 144 by the plasma 146 processing. In particular, in the metal film 144 constituting a fine pattern of about a design rule, for example, about several micrometers to several tens of micrometers, not only hillock but also grain growth may be performed. Alternatively, although not shown, the metal film 144 may be treated with the plasma 146 while the barrier film 130 and a part of the metal film 144 having a predetermined thickness remain on the top surface of the interlayer insulating film 124. The plasma treated metal film 144a may be formed.

바람직하게는, 상기 금속막(144)의 플라즈마(146) 처리는 NH3, N2, H2, He, 또는 이들의 혼합물 분위기하에서 약 300 ∼ 450℃의 온도로 약 5 ∼ 60초 동안 행해질 수 있다. 상기 플라즈마(146) 처리시의 온도가 후속의 다른 막질, 예를 들면 캡핑 절연막 형성시의 공정 온도 보다 낮으면 상기 캡핑 절연막 형성시에 상기 플라즈마 처리된 금속막(144a) 내에서 추가적으로 힐록이 발생될 수도 있다. 따라서, 상기 플라즈마(146) 처리시의 온도 및 플라즈마 처리 시간은 후속의 캡핑 절연막 형성 전에 실시하는 플라즈마 처리의 온도 및 시간과 같거나 더 크게 설정하는 것이 바람직하다. Preferably, the plasma 146 treatment of the metal film 144 may be performed for about 5 to 60 seconds at a temperature of about 300 to 450 ° C. under NH 3 , N 2 , H 2 , He, or a mixture thereof. have. If the temperature at the time of the plasma 146 processing is lower than a subsequent film quality, for example, the process temperature at the time of forming the capping insulation film, additional hillock may be generated in the plasma-treated metal film 144a at the time of forming the capping insulation film. It may be. Therefore, it is preferable to set the temperature and plasma processing time during the plasma 146 processing to be equal to or greater than the temperature and time of the plasma processing performed before the subsequent capping insulating film formation.

상기한 바와 같이, 상기 금속막(144)을 플라즈마(146) 처리함으로써 상기 금속막(144)에 힐록이 생성된다. As described above, the hillock is generated in the metal film 144 by treating the metal film 144 with the plasma 146.

도시하지는 않았으나, 도 4f에서의 플라즈마(146) 처리 과정에서 그레인 성장이 진행되면서 상기 플라즈마 처리된 금속막(144a)의 표면이 다시 러프(rough)한 표면으로 변하게 될 수 있다. 따라서, 상기 플라즈마 처리된 금속막(144a) 상면에서 원활한 표면을 얻기 위하여, 필요에 따라 상기 플라즈마 처리된 금속막(144a)의 러프해진 표면을 도 4e를 참조하여 설명한 바와 같은 1차 CMP 공정과 동일한 공정 조건으로 추가 CMP 공정을 진행할 수 있다. 또한, 상기 추가 CMP 공정을 거친 상기 플라즈마 처리된 금속막(144a)의 노출 표면을 다시 도 4f를 참조하여 설명한 바와 같은 방법으로 플라즈마 처리하는 추가 플라즈마 처리 공정을 더 포함할 수도 있다. 그러나, 이는 필수적인 단계는 아니다. 즉, 상기 추가 CMP 및 추가 플라즈마 처리 공정을 행하지 않고, 도 4g를 참조하여 후술하는 배리어막(130)의 연마 단계에서 상기 플라즈마 처리된 금속막(144a)의 러프해진 표면을 다시 원활하게 할 수 도 있다. Although not shown, as the grain growth progresses during the plasma 146 processing in FIG. 4F, the surface of the plasma-treated metal film 144a may be changed to a rough surface again. Therefore, in order to obtain a smooth surface on the upper surface of the plasma-treated metal film 144a, the roughened surface of the plasma-treated metal film 144a may be the same as the first CMP process described with reference to FIG. 4E. Process conditions can lead to further CMP processes. In addition, the method may further include an additional plasma treatment step of plasma-processing the exposed surface of the plasma-treated metal film 144a that has undergone the additional CMP process in the same manner as described with reference to FIG. 4F. However, this is not an essential step. That is, the roughened surface of the plasma-treated metal film 144a may be smoothed again in the polishing step of the barrier film 130 described later with reference to FIG. 4G without performing the additional CMP and additional plasma processing steps. have.

도 4g를 참조하면, 상기 층간절연막(124)의 상면 위에 있는 도전성 배리어막(130)을 제거하기 위한 2차 CMP 공정을 행하여 상기 층간절연막(124)의 상면을 노출시킨다. Referring to FIG. 4G, a second CMP process is performed to remove the conductive barrier film 130 on the top surface of the interlayer insulating film 124 to expose the top surface of the interlayer insulating film 124.

상기 2차 CMP 공정 후 상기 층간절연막(124) 상면 위에 남아 있을 수도 있는 도전성 배리어막(130) 잔류물을 완전히 제거하기 위하여 3차 CMP 공정을 더 행할 수도 있다. 이 때, 상기 2차 CMP 공정에서는 상기 도전성 배리어막(130) 재료에 대한 선택적 제거율이 높은 슬러리를 사용하고, 상기 3차 CMP 공정시에는 상기 층간절연막(124) 재료에 대한 선택적 제거율이 높은 슬러리를 사용할 수 있다. 상기 3차 CMP 공정을 행하는 경우, 상기 층간절연막(124) 상면의 높이가 상기 2차 CMP 공정 직후보다 더 낮아진다. 그리고, 상기 요부(126) 내에는 상기 2차 CMP 또는 3차 CMP 공정을 거친 최종 결과물인 금속 배선층(144b)이 남아있게 된다. After the second CMP process, a third CMP process may be further performed to completely remove residues of the conductive barrier layer 130 that may remain on the upper surface of the interlayer insulating layer 124. In this case, a slurry having a high selective removal rate with respect to the conductive barrier film 130 material is used in the second CMP process, and a slurry having a high selective removal rate with respect to the interlayer insulating film 124 material is used during the third CMP process. Can be used. When the third CMP process is performed, the height of the upper surface of the interlayer insulating film 124 is lower than that immediately after the second CMP process. In the recess 126, the metal wiring layer 144b, the final result of the secondary CMP or tertiary CMP process, remains.

도 4h를 참조하면, 상기 금속 배선층(144b)의 상면 및 상기 층간절연막(124)의 상면을 덮도록 그 위에 캡핑 절연막(150)을 형성한다. 상기 캡핑 절연막(150)은 예를 들면 실리콘 질화막, SiCN, SiC, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. Referring to FIG. 4H, a capping insulating layer 150 is formed on the upper surface of the metal wiring layer 144b and the upper surface of the interlayer insulating layer 124. The capping insulating layer 150 may be formed of, for example, silicon nitride, SiCN, SiC, or a combination thereof.

상기 캡핑 절연막(150)을 형성하기 전에, 상기 금속 배선층(144b)의 노출 표면에서 대기와의 접촉에 의하여 형성될 수 있는 금속 산화막을 환원 반응에 의해 제거하기 위하여 상기 금속 배선층(144b) 표면에 대하여 플라즈마 전처리 공정을 행할 수도 있다. 상기 금속 배선층(144b)에서는 힐록이 발생될 수 있는 취약한 부분에서는 도 4f를 참조하여 설명한 바와 같은 플라즈마(146) 처리에 의하여 이미 힐록이 발생된 후 다시 제거되었기 때문에, 상기 금속 배선층(144b)의 산화된 표면의 환원을 위한 플라즈마 전처리 공정중에는 상기 금속 배선층(144b) 표면에서의 힐록 발생 가능성이 크게 줄어들게 된다. 상기 금속 배선층(144b)의 산화된 표면을 환원시키기 위한 플라즈마 전처리 공정은 예를 들면 NH3, N2, H2, He, 또는 이들의 혼합물 분위기하에서 행해질 수 있다. Prior to forming the capping insulating layer 150, the metal oxide layer, which may be formed by contact with the atmosphere, may be formed on the exposed surface of the metal wiring layer 144b with respect to the surface of the metal wiring layer 144b so as to be removed by a reduction reaction. Plasma pretreatment may be performed. Since the heel lock has already been removed by the plasma 146 process as described with reference to FIG. 4F in the weak portion where the heel lock may occur, the metal wiring layer 144b is oxidized. During the plasma pretreatment process for reducing the surface, the possibility of hillock on the surface of the metal wiring layer 144b is greatly reduced. The plasma pretreatment process for reducing the oxidized surface of the metal wiring layer 144b may be performed, for example, in an atmosphere of NH 3 , N 2 , H 2 , He, or a mixture thereof.

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 금속 배선 형성 방법에 따라 Cu 배선층을 형성하는 데 있어서, 전기도금 방법에 의하여 형성된 Cu막을 1차 CMP 한 후 400℃에서 NH3 분위기로 플라즈마 처리한 결과 얻어진 Cu막 표면을 보여주는 사진들이다. 5A and 5B illustrate a Cu obtained by forming a Cu wiring layer according to the method for forming a metal wiring according to the present invention, wherein the Cu film formed by the electroplating method is subjected to a first CMP and then plasma-treated at 400 ° C. in an NH 3 atmosphere. These pictures show the surface of the membrane.

도 5a에서, 플라즈마 처리의 영향으로 인하여 상기 Cu막 표면에서 Cu 그레인이 성장하고 이로 인하여 Cu막 표면의 러프니스가 증가된 것을 볼 수 있다. 도 5b에서는 플라즈마 처리의 영향으로 Cu 힐록이 발생된 것을 볼 수 있다. In FIG. 5A, it can be seen that Cu grains grow on the surface of the Cu film due to the effect of plasma treatment, thereby increasing the roughness of the surface of the Cu film. In FIG. 5B, it can be seen that Cu hillock is generated under the influence of plasma treatment.

도 6은 도 5b에서의 플라즈마 처리 결과물에 대하여 2차 CMP를 진행하여 Cu 힐록을 제거하여 표면 러프니스를 개선하고, 그 위에 캡핑 절연막을 형성한 후 표면을 관찰한 사진이다. 도 2a와 비교할 때 Cu 힐록에 의한 표면 결함이 크게 감소된 것을 보여주는 사진이다. FIG. 6 is a photograph of the surface of the plasma treatment resultant of FIG. 5B to remove Cu hillock to improve surface roughness, and to form a capping insulating layer thereon. Compared with Figure 2a is a photograph showing that the surface defects caused by Cu hillock is greatly reduced.

도 7은 본 발명에 따른 금속 배선 형성 방법에 따라 Cu 배선층을 형성하는 데 있어서, 플라즈마 처리에 의하여 Cu막에서 저항이 감소한 정도를 나타내는 그래프이다. 7 is a graph showing the degree to which the resistance in the Cu film is reduced by plasma treatment in forming the Cu wiring layer according to the metal wiring forming method according to the present invention.

도 7의 평가를 위하여, 웨이퍼상에 Cu막 도금 후 100℃에서 어닐링을 진행하 고 상기 Cu막의 CMP 후에 0.12㎛ 트렌치(trench) 패턴에서 저항을 측정하였다. 그리고, 상기 측정에 사용된 웨이퍼를 그대로 사용하여 400℃에서 NH3 분위기로 플라즈마 처리를 행한 후에 재측정된 저항을 비교하여 그 감소율(Delta Rs)을 도 7에 나타내었다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 플라즈마 처리에 의하여 저항이 약 5% 감소한 것을 확인할 수 있다. For evaluation of FIG. 7, annealing was performed at 100 ° C. after plating the Cu film on the wafer, and resistance was measured in a 0.12 μm trench pattern after CMP of the Cu film. In addition, the reduction rate (Delta Rs) is shown in FIG. 7 by comparing the re-measured resistance after performing a plasma treatment at 400 ° C. in an NH 3 atmosphere using the wafer used for the measurement as it is. As shown in FIG. 7, it can be seen that the resistance was reduced by about 5% by the plasma treatment.

본 발명에 따른 금속 배선 형성 방법에서는 듀얼 다마신 공정에 의하여 금속 배선을 형성하는 데 있어서, 상면에 요부가 있는 층간절연막 위에 형성된 금속막을 연마하기 위한 1차 CMP 단계와 상기 금속막 하부에 있는 도전성 배리어막을 연마하기 위한 2차 CMP 단계와의 사이에 상기 금속막을 플라즈마 처리하는 단계를 포함한다. 상기 플라즈마 처리 단계에서는 금속막의 압축 응력의 증가로 힐록이 생성될 수 있으며, 디자인 룰 정도의 미세 패턴의 금속막 내에서 충분히 성장하지 못했던 그레인들을 충분히 성장시켜 상기 금속막의 비저항을 낮출 수 있다. 또한, 플라즈마 처리 과정에서 발생하는 힐록 및 금속막에서의 증가된 표면 러프니스를 후속의 도전성 배리어막 연마를 위한 2차 CMP 공정 또는 별도의 다른 CMP 공정을 이용하여 제거함으로써 원활한 표면을 가지는 금속 배선층을 형성하는 것이 가능하다. 또한, 후속 캡핑 절연막 형성시에는 힐록에 대하여 취약했던 부분에서는 이미 힐록이 생성되었다가 제거된 후이므로 힐록 발생을 크게 줄일 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 금속 배선 형성 방법에 의하면, 금속 배선에서의 힐록 발생을 줄일 수 있고, 그레인 사이즈가 충분히 성장되고 또한 원활한 표면을 가지는 금속 배선층을 형성함으로써 금속 배선층의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. In the metal wiring forming method according to the present invention, in forming a metal wiring by a dual damascene process, a first CMP step for polishing a metal film formed on an interlayer insulating film having recesses on an upper surface thereof, and a conductive barrier under the metal film. Plasma treating the metal film with a secondary CMP step for polishing the film. In the plasma treatment step, the hillock may be generated by an increase in the compressive stress of the metal film, and the grain resistance, which is not sufficiently grown in the metal pattern of the fine pattern as much as the design rule, may be sufficiently grown to lower the specific resistance of the metal film. In addition, by removing the increased surface roughness in the hillock and metal film generated during the plasma treatment process using a secondary CMP process or a separate CMP process for subsequent conductive barrier film polishing to remove the metal wiring layer having a smooth surface It is possible to form. In addition, since the hillocks are already generated and removed after the capping insulation layer is formed, the hillocks can be greatly reduced. Therefore, according to the metal wiring formation method which concerns on this invention, generation | occurrence | production of the hillock in a metal wiring can be reduced, and the reliability of a metal wiring layer can be improved by forming the metal wiring layer which a grain size fully grows and has a smooth surface.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다. In the above, the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and changes by those skilled in the art within the spirit and scope of the present invention. This is possible.

Claims (37)

기판상에 금속막을 형성하는 단계와, Forming a metal film on the substrate, 상기 금속막을 어닐링하는 단계와, Annealing the metal film; CMP를 이용하여 상기 어닐링된 금속막을 그 상부로부터 소정 두께 만큼 제거하여 평탄화된 금속막을 형성하는 단계와, Removing the annealed metal film by a predetermined thickness using CMP to form a planarized metal film; 상기 평탄화된 금속막을 플라즈마 처리하여 상기 금속막으로부터 힐록을 생성시키는 단계와, Plasma treating the planarized metal film to generate hillock from the metal film; CMP를 이용하여 상기 힐록이 생성된 상기 금속막을 그 상부로부터 일부 제거하여 평탄화된 금속 배선층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. And forming a planarized metal wiring layer by partially removing the metal film on which the hillock is formed using the CMP. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 금속막은 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. And said metal film is made of Cu or Cu alloy. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 금속막은 전기 도금 방법에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. And the metal film is formed by an electroplating method. 제3항에 있어서, The method of claim 3, 상기 금속막의 어닐링은 100 ∼ 200℃의 범위 내에서 행해지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. Annealing of the said metal film is performed in 100-200 degreeC, The metal wiring formation method of the semiconductor element characterized by the above-mentioned. 제4항에 있어서, The method of claim 4, wherein 상기 어닐링은 N2 또는 H2 분위기하에서 행해지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. The annealing is performed in an N 2 or H 2 atmosphere. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 금속막의 플라즈마 처리는 NH3, N2, H2, He, 또는 이들의 혼합물 분위기하에서 행해지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. The plasma treatment of the metal film is performed in an atmosphere of NH 3 , N 2 , H 2 , He, or a mixture thereof. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 금속막의 플라즈마 처리는 300 ∼ 450℃의 온도하에서 행해지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. Plasma treatment of said metal film is performed at the temperature of 300-450 degreeC, The metal wiring formation method of the semiconductor element characterized by the above-mentioned. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 금속막의 플라즈마 처리는 5 ∼ 60초 동안 행해지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. Plasma treatment of the metal film is performed for 5 to 60 seconds. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 평탄화된 금속 배선층 위에 캡핑 절연막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. And forming a capping insulating layer on the planarized metal wiring layer. 제9항에 있어서, The method of claim 9, 상기 캡핑 절연막을 형성하기 전에 상기 평탄화된 금속 배선층의 산화된 표면을 환원시키는 단계를 더 포함하고, Reducing the oxidized surface of the planarized metallization layer before forming the capping insulating film, 상기 평탄화된 금속 배선층의 산화된 표면을 환원시키기 위하여 상기 산화된 표면을 플라즈마 처리하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. And plasma treating the oxidized surface to reduce the oxidized surface of the planarized metal wiring layer. 제9항에 있어서, The method of claim 9, 상기 힐록을 생성시키기 위하여 상기 평탄화된 금속막을 플라즈마 처리하는 동안 상기 캡핑 절연막 형성 단계의 공정 온도 또는 그 이상의 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. And the process temperature of the capping insulating film forming step is maintained at or above the temperature of the capping insulating film forming step during plasma treatment of the planarized metal film to produce the hillock. 반도체 기판상에 층간절연막을 형성하는 단계와, Forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate; 상기 층간절연막 상면에 요부를 형성하는 단계와, Forming recesses on an upper surface of the interlayer insulating film; 상기 요부의 내벽 및 상기 층간절연막의 상면에 배리어막을 형성하는 단계와, Forming a barrier film on an inner wall of the recess and an upper surface of the interlayer insulating film; 상기 요부를 완전히 채우는 금속막을 상기 배리어막 위에 형성하는 단계와, Forming a metal film on the barrier film to completely fill the recesses; 상기 금속막을 어닐링하는 단계와, Annealing the metal film; 상기 금속막의 상면으로부터 일부가 제거되도록 상기 어닐링된 금속막을 연마하는 단계와, Polishing the annealed metal film to remove a portion from an upper surface of the metal film; 상기 연마된 금속막을 플라즈마 처리하는 단계와, Plasma processing the polished metal film; 상기 플라즈마 금속막 주위에서 상기 층간절연막의 상면이 노출되도록 상기 층간절연막 상면 위에 있는 배리어막을 연마하여 제거하는 단계와, Polishing and removing a barrier film on the top surface of the interlayer insulating film so that the top surface of the interlayer insulating film is exposed around the plasma metal film; 상기 요부 내에 있는 상기 금속막의 상면과 상기 층간절연막의 상면 위에 캡핑 절연막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. And forming a capping insulating film on an upper surface of the metal film and an upper surface of the interlayer insulating film in the recessed portion. 제12항에 있어서, The method of claim 12, 상기 금속막은 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. And said metal film is made of Cu or Cu alloy. 제12항에 있어서, The method of claim 12, 상기 금속막을 형성하는 단계는 Forming the metal film 상기 배리어막 위에 금속 시드층을 형성하는 단계와, Forming a metal seed layer on the barrier layer; 상기 금속 시드층 위에 전기 도금 방법에 의해 상기 금속막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. Forming the metal film on the metal seed layer by an electroplating method. 제14항에 있어서, The method of claim 14, 상기 금속막의 어닐링은 100 ∼ 200℃의 범위 내에서 행해지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. Annealing of the said metal film is performed in 100-200 degreeC, The metal wiring formation method of the semiconductor element characterized by the above-mentioned. 제15항에 있어서, The method of claim 15, 상기 어닐링은 N2 또는 H2 분위기하에서 행해지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. The annealing is performed in an N 2 or H 2 atmosphere. 제12항에 있어서, The method of claim 12, 상기 금속막의 플라즈마 처리는 NH3, N2, H2, He, 또는 이들의 혼합물 분위기하에서 행해지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. The plasma treatment of the metal film is performed in an atmosphere of NH 3 , N 2 , H 2 , He, or a mixture thereof. 제12항에 있어서, The method of claim 12, 상기 금속막의 플라즈마 처리는 300 ∼ 450℃의 온도하에서 행해지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. Plasma treatment of said metal film is performed at the temperature of 300-450 degreeC, The metal wiring formation method of the semiconductor element characterized by the above-mentioned. 제12항에 있어서, The method of claim 12, 상기 금속막의 플라즈마 처리는 5 ∼ 60초 동안 행해지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. Plasma treatment of the metal film is performed for 5 to 60 seconds. 제12항에 있어서, The method of claim 12, 상기 연마된 금속막을 플라즈마 처리하는 단계는 상기 캡핑 절연막을 형성하는 단계의 공정 온도 또는 그 이상의 온도하에서 행해지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. Plasma-processing the polished metal film is performed at a process temperature or higher than the step of forming the capping insulating film. 제12항에 있어서, The method of claim 12, 상기 금속막의 플라즈마 처리 후 상기 배리어막을 연마하기 전에, 상기 금속막 표면을 다시 연마하는 추가 연마 단계와, Further polishing the surface of the metal film again, after polishing the barrier film after plasma treatment of the metal film; 상기 추가 연마된 금속막의 노출 표면을 다시 플라즈마 처리하는 추가 플라즈마 처리 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. And further performing a plasma treatment on the exposed surface of the additional polished metal film. 제21항에 있어서, The method of claim 21, 상기 추가 플라즈마 처리는 NH3, N2, H2, He, 또는 이들의 혼합물 분위기하에서 행해지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. The further plasma treatment is performed in an atmosphere of NH 3 , N 2 , H 2 , He, or a mixture thereof. 제21항에 있어서, The method of claim 21, 상기 추가 플라즈마 처리는 300 ∼ 450℃의 온도하에서 행해지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. The further plasma treatment is carried out at a temperature of 300 to 450 ° C. 제12항에 있어서, The method of claim 12, 상기 금속막의 플라즈마 처리는 상기 금속막 및 배리어막이 동시에 노출된 상태에서 행해지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. And plasma treatment of the metal film is performed in a state in which the metal film and the barrier film are simultaneously exposed. 제12항에 있어서, The method of claim 12, 상기 배리어막은 Ti, Ta, W, 및 이들의 질화물로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 또는 2 이상의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. And the barrier film is made of one or two or more materials selected from the group consisting of Ti, Ta, W, and nitrides thereof. 제12항에 있어서, The method of claim 12, 상기 층간절연막 상면에 형성되는 요부는 상기 층간절연막을 관통하는 홀, 또는 상기 층간절연막의 두께 보다 낮은 깊이를 가지는 트렌치(trench) 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. A recess formed in the upper surface of the interlayer insulating film has a trench formed in the hole penetrating through the interlayer insulating film or having a depth lower than the thickness of the interlayer insulating film. 기판상에 금속막을 형성하는 단계와, Forming a metal film on the substrate, 상기 금속막을 어닐링하는 단계와, Annealing the metal film; CMP를 이용하여 상기 어닐링된 금속막을 그 상부로부터 소정 두께 만큼 제거하여 평탄화된 금속막을 형성하는 단계와, Removing the annealed metal film by a predetermined thickness using CMP to form a planarized metal film; 상기 평탄화된 금속막을 플라즈마 처리하여 상기 금속막을 구성하는 금속 그레인을 성장시키는 단계와, Plasma treating the planarized metal film to grow metal grains constituting the metal film; CMP를 이용하여 상기 금속 그레인이 성장된 상기 금속막을 그 상부로부터 일부 제거하여 평탄화된 금속 배선층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. And forming a planarized metal wiring layer by partially removing the metal film having the metal grains grown thereon from the top thereof using CMP. 제27항에 있어서, The method of claim 27, 상기 금속막은 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. And said metal film is made of Cu or Cu alloy. 제27항에 있어서, The method of claim 27, 상기 금속막은 전기 도금 방법에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. And the metal film is formed by an electroplating method. 제29항에 있어서, The method of claim 29, 상기 금속막의 어닐링은 100 ∼ 200℃의 범위 내에서 선택되는 온도하에서 행해지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. Annealing of the said metal film is performed at the temperature chosen in the range of 100-200 degreeC, The metal wiring formation method of the semiconductor element characterized by the above-mentioned. 제30항에 있어서, The method of claim 30, 상기 어닐링은 N2 또는 H2 분위기하에서 행해지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. The annealing is performed in an N 2 or H 2 atmosphere. 제27항에 있어서, The method of claim 27, 상기 금속막의 플라즈마 처리는 NH3, N2, H2, He, 또는 이들의 혼합물 분위기하에서 행해지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. The plasma treatment of the metal film is performed in an atmosphere of NH 3 , N 2 , H 2 , He, or a mixture thereof. 제27항에 있어서, The method of claim 27, 상기 금속막의 플라즈마 처리는 300 ∼ 450℃의 온도하에서 행해지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. Plasma treatment of said metal film is performed at the temperature of 300-450 degreeC, The metal wiring formation method of the semiconductor element characterized by the above-mentioned. 제27항에 있어서, The method of claim 27, 상기 금속막의 플라즈마 처리는 5 ∼ 60초 동안 행해지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. Plasma treatment of the metal film is performed for 5 to 60 seconds. 제27항에 있어서, The method of claim 27, 상기 평탄화된 금속 배선층 위에 캡핑 절연막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. And forming a capping insulating layer on the planarized metal wiring layer. 제35항에 있어서, 36. The method of claim 35 wherein 상기 캡핑 절연막을 형성하기 전에 상기 평탄화된 금속 배선층의 산화된 표면을 환원시키는 단계를 더 포함하고, Reducing the oxidized surface of the planarized metallization layer before forming the capping insulating film, 상기 평탄화된 금속 배선층의 산화된 표면을 환원시키기 위하여 상기 산화된 표면을 플라즈마 처리하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. And plasma treating the oxidized surface to reduce the oxidized surface of the planarized metal wiring layer. 제35항에 있어서, 36. The method of claim 35 wherein 상기 금속 그레인을 성장시키기 위하여 상기 평탄화된 금속막을 플라즈마 처리하는 동안 상기 캡핑 절연막 형성 단계의 공정 온도 또는 그 이상의 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법. And the process temperature of the capping insulating film forming step is maintained at or above the temperature of the capping insulating film forming step during the plasma treatment of the planarized metal film to grow the metal grains.
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