KR100701426B1 - Multi layer metal in semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래기술에 따른 알루미늄막을 이용한 다층 금속배선의 구조도, 1 is a structural diagram of a multilayer metal wiring using an aluminum film according to the prior art,
도 2는 종래기술에 따른 구리막을 이용한 다층 금속배선의 구조도,2 is a structural diagram of a multilayer metal wiring using a copper film according to the prior art,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체소자의 다층 금속배선의 구조를 도시한 도면,3 is a view illustrating a structure of a multilayer metal wiring of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention;
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 실시예에 따른 반도체소자의 다층 금속배선 제조 방법을 도시한 공정 단면도.4A to 4E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a multilayer metal wiring of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
51 : 층간절연막 52 : 텅스텐플러그51 interlayer
53 : 제1티타늄 54 : 알루미늄막53: first titanium 54: aluminum film
55 : 제2티타늄 56 : 티타늄질화막55: second titanium 56: titanium nitride film
58 : 제1금속간절연막 59 : 제1확산배리어막58: first intermetallic insulating film 59: first diffusion barrier film
60 : 제2금속간절연막 61 : 식각배리어막60: second intermetallic insulating film 61: etching barrier film
62 : 제3금속간절연막 63 : 제2확산배리어막62: third intermetallic insulating film 63: second diffusion barrier film
65 : 비아홀 68 : 트렌치65: via hole 68: trench
69 : 배리어메탈 70 : 구리시드층69: barrier metal 70: copper seed layer
71 : 구리막71: copper film
M11 : 알루미늄배선M11: Aluminum Wiring
M22 : 구리배선M22: Copper Wiring
본 발명은 반도체 제조기술에 관한 것으로, 특히 반도체소자의 다층 금속배선 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to semiconductor manufacturing technology, and more particularly, to a multilayer metallization of a semiconductor device and a manufacturing method thereof.
일반적으로, 반도체소자가 고집적화됨에 따라 반도체 소자의 금속 배선을 형성함에 있어서 알루미늄막(Al) 또는 구리막(Cu)을 적용하고 있다.In general, as the semiconductor device is highly integrated, an aluminum film Al or a copper film Cu is used in forming metal wirings of the semiconductor device.
그리고, 다층 금속배선(Multi-Layer Metal; MLM) 공정에 있어서, 통상적으로 하층 금속배선과 상층 금속배선을 모두 알루미늄막(Al)으로 사용하였고, 최근에는하층 금속배선과 상층 금속배선을 모두 구리막(Cu)으로 사용하고 있다.In the multi-layer metal wiring (MLM) process, the lower metal wiring and the upper metal wiring are both used as aluminum films (Al), and recently, both the lower metal wiring and the upper metal wiring are copper films. It is used as (Cu).
그리고, 알루미늄막을 이용한 다층 금속배선 공정은 증착 및 식각을 통해 진행하였고, 구리막을 이용한 다층 금속배선 공정은 구리막의 식각이 용이하지 않기 때문에 듀얼다마신(Dual damascene) 공정을 이용하였다.In addition, the multilayer metallization process using the aluminum film was performed through deposition and etching, and the multilayer metallization process using the copper film used a dual damascene process because the copper film was not easily etched.
도 1은 종래기술에 따른 알루미늄막을 이용한 다층 금속배선의 구조도이고, 도 2는 종래기술에 따른 구리막을 이용한 다층 금속배선의 구조도이다. 1 is a structural diagram of a multilayer metal wiring using an aluminum film according to the prior art, Figure 2 is a structural diagram of a multilayer metal wiring using a copper film according to the prior art.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 알루미늄막을 이용한 다층 금속배선은, 층간절연막(11) 내에 텅스텐플러그(12)가 매립되고, 텅스텐플러그(12) 상에 하층 알루미늄배선(M1)이 연결되며, 하층 알루미늄배선(M1) 상부에 제1금속간절연막(IMD, 17)이 형성되고, 제1금속간절연막(17)을 관통하여 하층 알루미늄배선(M1)에 연결되는 비아(18), 비아(18) 상에 형성되며 비아(18)를 통해 하층 알루미늄배선(M1)과 연결되는 상층 알루미늄배선(M2)으로 이루어진다.As shown in FIG. 1, in a multilayer metal wiring using an aluminum film according to the related art, a
여기서, 하층 알루미늄배선(M1)은 제1티타늄(13), 제1알루미늄(14), 제2티타늄(15), 제1티타늄질화막(16)의 순서로 적층되고, 상층 알루미늄배선(M2)은 제3티타늄(19), 제2알루미늄(20), 제2티타늄질화막(21)의 순서로 적층된다.Here, the lower layer aluminum wiring M1 is laminated in the order of the
도 2에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 구리막을 이용한 다층 금속배선은, 층간절연막(31) 내에 텅스텐플러그(32)가 매립되고, 텅스텐플러그(32) 상에 제1금속간절연막(33)과 제1식각배리어막(34)이 제공하는 트렌치에 매립되는 하층 구리배선(M1)이 형성되며, 하층 구리 배선(M1) 상부에는 제2금속간절연막(37), 제2식각배리어막(38), 제3금속간절연막(39) 및 제3식각배리어막(40)이 제공하는 비아홀과 트렌치에 매립되는 상부 구리 배선(M2)으로 이루어진다.As shown in FIG. 2, in the multilayer metal wiring using the copper film according to the related art, the
여기서, 하층 구리배선(M1)은 제1배리어메탈(35)과 제1구리막(36)으로 이루어지고, 상층 구리배선(M2)은 제2배리어메탈(42)과 제2구리막(42)으로 이루어진다.Here, the lower copper wiring M1 is formed of the
그러나, 도 1에 도시된 알루미늄막을 이용한 다층 금속배선은 알루미늄배선의 선폭이 감소할수록 저항이 증가하여 반도체소자의 성능저하(특히 고속동작 방 해)를 초래하는 문제가 있고, 도 2에 도시된 구리막을 이용한 다층 금속배선은 하층 구리배선을 구성하는 제1구리막(36) 내의 구리원자가 텅스텐플러그(32)를 통해 하부의 트랜지스터로 확산하여 트랜지스터를 어택하여 열화(Degradation)시키는 문제가 있다.However, the multi-layered metal wiring using the aluminum film shown in FIG. 1 has a problem that the resistance increases as the line width of the aluminum wiring decreases, resulting in a decrease in performance of the semiconductor device (particularly, high-speed operation interference), and the copper shown in FIG. In the multilayer metal wiring using the film, there is a problem in that copper atoms in the
즉, 알루미늄배선은 트랜지스터를 어택하지는 않지만 선폭이 감소할수록 저항이 증가하는 문제가 있고, 구리배선은 선폭이 감소하더라도 저항이 증가하지는 않지만 트랜지스터를 어택하는 문제가 있다.That is, the aluminum wiring does not attack the transistor, but the resistance increases as the line width decreases. In the copper wiring, the resistance does not increase even when the line width decreases.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 금속배선의 저항 증가를 방지하면서도 트랜지스터를 어택하지 않는 반도체소자의 다층 금속배선 및 그의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve the above problems of the prior art, and an object thereof is to provide a multilayer metal wiring of a semiconductor device and a method of manufacturing the same, which prevents an increase in resistance of the metal wiring and does not attack the transistor.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체소자의 금속배선은 플러그를 통해 트랜지스터와 연결되며 확산배리어막, 알루미늄막 및 반사방지막의 순서로 적층된 알루미늄배선, 상기 알루미늄배선 상부를 덮고 상기 알루미늄배선의 표면을 개방시키는 비아홀과 상기 비아홀 상부의 라인 형상을 갖는 트렌치를 제공하는 절연막, 및 상기 절연막이 제공하는 비아홀과 트렌치에 매립되어 상기 알루미늄배선과 연결되는 구리배선을 포함하는 것을 특징으로 한다.The metal wiring of the semiconductor device of the present invention for achieving the above object is connected to the transistor through a plug and the aluminum wiring stacked in the order of the diffusion barrier film, the aluminum film and the anti-reflection film, covering the upper portion of the aluminum wiring and the surface of the aluminum wiring And an insulating film providing a trench having a via hole and a trench having a line shape over the via hole, and a copper wiring embedded in the via hole and the trench provided by the insulating film and connected to the aluminum wiring.
그리고, 본 발명의 반도체소자의 다층 금속배선 제조 방법은 트랜지스터가 형성된 반도체 기판 상부에 층간절연막을 형성하는 단계, 상기 층간절연막을 관통하여 상기 트랜지스터와 연결되는 플러그를 형성하는 단계, 상기 층간절연막 상에 상기 플러그에 연결되는 알루미늄배선을 형성하는 단계, 상기 알루미늄배선 상부를 덮고 상기 알루미늄배선의 표면을 개방시키는 비아홀과 상기 비아홀 상부의 라인 형상을 갖는 트렌치를 제공하는 금속간절연막을 형성하는 단계, 및 상기 금속간절연막이 제공하는 비아홀과 트렌치에 매립되어 상기 상기 알루미늄배선과 연결되는 구리배선을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the method of manufacturing a multilayer metal wiring of the semiconductor device of the present invention comprises the steps of forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate on which the transistor is formed, forming a plug connected to the transistor through the interlayer insulating film, on the interlayer insulating film Forming an aluminum wiring connected to the plug, forming an intermetallic insulating film covering a top of the aluminum wiring and providing a trench having a line shape over the via hole and a via hole for opening the surface of the aluminum wiring; And embedding a via hole and a trench provided in the intermetallic insulating film to form a copper wiring connected to the aluminum wiring.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. .
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체소자의 다층 금속배선의 구조를 도시한 도면이다.3 is a diagram illustrating a structure of a multilayer metal wiring of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 3에 도시된 바와 같이, 층간절연막(51) 내에 매립된 텅스텐플러그(52)를 통해 트랜지스터와 연결되는 알루미늄배선(M11), 알루미늄배선(M11) 상부를 덮고 알루미늄배선(M11)의 표면을 개방시키는 비아홀(65)과 비아홀(65) 상부의 라인 형상을 갖는 트렌치(68)를 제공하는 절연막(58, 59, 60, 61, 62, 63), 및 절연막(58, 59, 60, 61, 62, 63)이 제공하는 비아홀(65)과 트렌치(68)에 매립되어 알루미늄배선(M11)과 연결되는 구리배선(M22)을 포함한다.As shown in FIG. 3, the surface of the aluminum wiring M11 is opened while covering the upper portion of the aluminum wiring M11 and the aluminum wiring M11 connected to the transistor through the
여기서, 알루미늄배선(M11)은, 확산배리어막(53), 알루미늄막(54) 및 반사방지막(56/55)의 순서로 적층된 것으로서, 확산배리어막(53)은 Ti이고, 반사방지막은 TiN/Ti(56/55)이다.Here, the aluminum wiring M11 is laminated in the order of the
그리고, 구리배선(M22)은 배리어메탈(69), 배리어메탈(69) 상의 구리시드층 (70) 및 구리시드층(70) 상의 구리막(71)을 포함하는데, 배리어메탈(69)은 Ta 또는 TaN이다.The copper wiring M22 includes a
그리고, 절연막(58, 59, 60, 61, 62, 63)은 비아홀(65)을 제공하는 제1금속간절연막(58), 제1확산배리어막(59) 및 제2금속간절연막(60)의 적층과 제2금속간절연막(60) 상에 형성되어 트렌치(68)를 제공하는 식각배리어막(61), 제3금속간절연막(62) 및 제2확산배리어막(63)의 적층으로 이루어진다. 여기서, 제1금속간절연막(58), 제2금속간절연막(60), 제3금속간절연막(62)은 실리콘산화막 또는 유전율이 3.5 미만인 유전막이고, 제1확산배리어막(59), 식각배리어막(61) 및 상기 제2확산배리어막(63)은 실리콘질화막(SiN)이다.The
도 3에 따르면, 본 발명의 다층 금속배선은 트랜지스터에 연결되는 알루미늄배선(M11)과 알루미늄배선(M11) 상에 듀얼다마신공정에 의해 형성되어 알루미늄배선(M11)에 연결되는 구리배선(M22)로 이루어진다.According to FIG. 3, the multi-layered metal wiring of the present invention is formed by a dual damascene process on the aluminum wiring M11 and the aluminum wiring M11 connected to the transistor, and is connected to the copper wiring M22 connected to the aluminum wiring M11. Is done.
이처럼, 다층 금속배선에서 하층 금속배선을 알루미늄배선(M11)으로 형성하고 상층 금속배선을 구리배선(M22)으로 형성하면, 구리원자의 확산으로 인한 트랜지스터의 열화를 방지하고, 동시에 금속배선의 저항감소를 얻는다.As described above, when the lower metal wiring is formed of the aluminum wiring M11 and the upper metal wiring is formed of the copper wiring M22 in the multilayer metal wiring, the deterioration of the transistor due to the diffusion of the copper atoms is prevented and the resistance of the metal wiring is reduced at the same time. Get
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 실시예에 따른 반도체소자의 다층 금속배선 제조 방법을 도시한 공정 단면도이다.4A to 4E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a multilayer metal wiring of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 4a에 도시된 바와 같이, 소정 공정이 완료된 반도체기판(도시 생략) 상부 에 층간절연막(51)을 형성한다. 이때, 층간절연막(51) 형성전에는 통상적으로 트랜지스터, 비트라인 및 캐패시터 등의 하부 반도체소자가 형성되고, 이로써 층간절연막(51)은 다층 구조가 될 것이다.As shown in FIG. 4A, an
이어서, 층간절연막(51)을 식각하여 하부 반도체소자의 일부와 연결될 콘택홀을 형성하고, 이 콘택홀에 텅스텐플러그(52)를 매립시킨다. 이때, 텅스텐플러그(52)는 도시되지 않은 트랜지스터와 연결되어 있다고 가정한다.Subsequently, the
이어서, 텅스텐플러그(52)가 매립된 층간절연막(52) 상에 제1티타늄(53), 알루미늄막(54), 제2티타늄(55) 및 티타늄질화막(56)을 차례로 형성한 후, 티타늄질화막(56) 상에 감광막을 도포하고 노광 및 현상으로 패터닝하여 M11 마스크(57)를 형성한다.Subsequently, a
이어서, M11 마스크(57)를 식각장벽으로 하여 반응성이온식각(Reactive Ion Etching; RIE) 방식으로 패터닝 공정을 진행하여 텅스텐플러그(52)에 연결되는 알루미늄배선(M11)을 형성한다. 따라서, 알루미늄배선(M11)은 제1티타늄(53), 알루미늄막(54), 제2티타늄(55) 및 티타늄질화막(56)의 순서로 적층된 구조가 된다.Subsequently, a patterning process is performed by using a reactive ion etching (RIE) method using the
상기 알루미늄배선(M11)에서, 제1티타늄(53)은 10nm∼50nm 두께로 형성하여 확산배리어 역할을 하고, 제2티타늄(Ti, 55)과 티타늄질화막(TiN, 56)은 반사방지(Anti-reflecting layer) 역할을 하며, 알루미늄배선(M11)을 구성하는 각 막들은 물리기상증착법(Physical Vapor Deposition; PVD)을 이용하여 100℃∼300℃의 온도에서 증착하는 것이 바람직하다. 한편, 반사방지막 역할을 하는 막으로 티타늄질화막을 단독으로 사용할 수도 있다.In the aluminum wiring M11, the
도 4b에 도시된 바와 같이, M11 마스크(57)를 제거한 후, 알루미늄배선(M11) 상부에 제1금속간절연막(58)을 형성한다. 이어서, 화학적기계적연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정을 통해 제1금속간절연막(58)을 평탄화시킨다.As shown in FIG. 4B, after removing the
여기서, 제1금속간절연막(58)은 단일막으로 형성할 수 있지만, 굴곡이 발생된 하부의 알루미늄배선(M11)을 효과적으로 갭필하기 위해 이중막 또는 삼중막으로 형성할 수도 있다. 이러한 제1금속간절연막(58)은 실리콘산화막(Silicon oxide) 또는 유전율이 3.5미만인 유전막을 사용한다.Here, the first intermetallic insulating
그리고, 제1금속간절연막(58)은 알루미늄배선(M11)보다 200nm∼300nm만큼 더 두껍게 형성한다.The first intermetallic insulating
이어서, 평탄화된 제1금속간절연막(58) 상에 제1확산배리어막(59), 제2금속간절연막(60), 식각배리어막(61), 제3금속간절연막(62), 제2확산배리어막(63)을 차례로 형성한다. 여기서, 제1확산배리어막(59), 식각배리어막(61) 및 제2확산배리어막(63)은 실리콘질화막(SiN)으로 형성한다. 그리고, 제2금속간절연막(60)과 제3금속간절연막(62)은 실리콘산화막(Silicon oxide) 또는 유전율이 3.5미만인 유전막을 사용한다.Subsequently, the first
이어서, 제2확산배리어막(63) 상에 감광막을 도포하고 노광 및 현상으로 패터닝하여 비아마스크(64)를 형성한 후, 비아마스크(64)를 식각장벽으로 하여 제2확산배리어막(63), 제3금속간절연막(62), 식각배리어막(61), 제2금속간절연막(60), 제1확산배리어막(59) 및 제1금속간절연막(57)을 순차적으로 식각하여 알루미늄배선(M11)의 표면을 개방시키는 비아홀(65)을 형성한다.Subsequently, a photoresist film is coated on the second
도 4c에 도시된 바와 같이, 비아홀마스크(64)를 제거한 후, 비아홀(65)의 바닥에 보호막(66)을 형성한다. 이때, 보호막(66)은 후속 트렌치 형성을 위한 식각공정시 비아홀(65) 바닥의 알루미늄배선(M11) 표면이 어택받는 것을 방지하기 위한 것으로, 감광막을 도포한 후 에치백하여 비아홀(65)의 바닥을 채우는 형태로 잔류시킨 것이다.As shown in FIG. 4C, after removing the via
도 4d에 도시된 바와 같이, 보호막(66)이 형성된 전면에 감광막을 도포하고 노광 및 현상으로 패터닝하여 트렌치마스크(67)를 형성한다. 이때, 트렌치마스크(67)는 잘 알려진 바와같이, 비아홀(65)보다 더 큰 폭의 라인 형상의 트렌치를 형성하기 위한 것이다.As shown in FIG. 4D, a photoresist film is coated on the entire surface where the
이어서, 트렌치마스크(67)를 식각장벽으로 하여 제2확산배리어막(63), 제3금속간절연막(62) 및 식각배리어막(61)을 순차적으로 식각하여 트렌치(68)를 형성한다.Subsequently, the
따라서, 비아홀(65)은 제1금속간절연막(58), 제1확산배리어막(59) 및 제2금속간절연막(60)의 적층이 제공하고, 트렌치(68)는 식각배리어막(61), 제3금속간절연막(62) 및 제2확산배리어막(63)의 적층이 제공한다.Accordingly, the via
도 4e에 도시된 바와 같이, 트렌치마스크(67)를 제거하는데, 이때 감광막으로 형성한 보호막(66)도 동시에 제거된다.As shown in FIG. 4E, the
이어서, 비아홀(65)과 트렌치(68)가 형성된 프로파일을 따라 전면에 배리어메탈(69)을 형성하고, 배리어메탈(69) 상에 구리막으로 된 구리시드층(70)을 형성한다. 여기서, 배리어메탈(69)은 Ta 또는 TaN으로 형성하며, 베리어메탈(69)은 구 리배선(M22)과 알루미늄배선(M11)간의 상호확산을 방지하기 위한 것이다.Subsequently, a
이어서, 구리시드층(70)을 시드로 하여 비아홀(65)과 트렌치(68)를 매립할 때까지 구리막을 형성한 후, CMP 공정을 진행하여 비아홀(65)에 매립되는 비아를 겸하면서 트렌치(68)에 매립되는 구리배선(M22)을 형성한다. 이때, 구리배선(M22)이 되는 구리막은 구리시드층(70)을 이용하는 전기도금법(Electro-plating)으로 형성하며, 다른 방법으로는 구리시드층(70)을 이용한 화학기상증착법(CVD) 또는 원자층증착법(ALD)을 이용할 수도 있다.Subsequently, a copper film is formed using the
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
상술한 본 발명은 다층 금속배선 공정시 하층 금속배선을 알루미늄배선으로 형성하고 상층 금속배선을 구리배선으로 형성하므로써 구리원자의 확산으로 인한 트랜지스터의 열화를 방지하고, 동시에 금속배선의 저항감소를 얻어 반도체소자의 속도를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.In the present invention described above, the lower metal wiring is formed of aluminum wiring and the upper metal wiring is formed of copper wiring in the multilayer metal wiring process, thereby preventing deterioration of the transistor due to diffusion of copper atoms, and at the same time, reducing the resistance of the metal wiring to obtain a semiconductor. There is an effect that can increase the speed of the device.
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