KR100714026B1 - 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것으로, 다층 구조의 금속 배선 형성 공정에서 하부 금속 배선을 형성한 후에 하부 금속 배선 상에 플러그 배선을 형성하고, 제 1 절연막, 에치 배리어 절연막 및 제 2 절연막을 순차적으로 형성하고, 플러그 배선 윗부분의 에치 배리어 절연막이 노출될 때까지 화학적 기계적 연마 공정으로 제 2 절연막을 연마하고, 상부 금속 배선용 트랜치 패턴을 형성하되, 플러그 배선 부분에는 에치 배리어 절연막 및 제 1 절연막을 제거하여 플러그 배선이 노출되도록 하고, 그 이외의 부분에는 제 2 절연막을 제거하여 에치 배리어 절연막이 노출되도록 하고, 이와 같이 형성된 트랜치 패턴에 금속을 채워 플러그 배선을 통해 하부 금속 배선과 연결되면서 다양한 역할이 가능한 상부 금속 배선을 형성하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관하여 기술된다.
금속 배선, 플러그 배선
Description
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11: 기판 12: 층간 절연막
13: 하부 금속 배선 14: 배리어 금속층
15: 플러그 배선 16: 제 1 절연막
17: 에치 배리어 절연막 18: 제 2 절연막
19: 트랜치 패턴 20: 상부 금속 배선
본 발명은 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것으로, 특히 다층 구조의 금속 배선 형성 공정에서 비아홀 콘택 공정 없이 하부 금속 배선과 상부 금속 배선을 전기적으로 연결하면서 다양한 역할이 가능한 상부 금속 배선을 효과적으로 형성할 수 있는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 소자가 고집적화 되어 감에 따라 금속 배선의 폭은 좁아지고, 다층 구조를 이루고, 하부 금속 배선과 상부 금속 배선을 전기적으로 연결시켜주기 위한 비아 콘택홀의 크기 역시 작아지고 있는 추세이다. 금속 배선의 재료로 알루미늄, 텅스텐, 구리 등 여러 종류의 금속을 사용하고 있다. 특히, 금속 배선의 폭이 좁아지므로 인해 발생되는 저항의 증가를 방지하기 위해 전기 전도도가 우수한 대체 물질에 대한 연구가 진행되고 있는데, 전기 비저항이 낮고 EM(electromigration) 특성 및 SM(stressmigration) 특성이 우수한 구리 배선에 대한 연구가 크게 부각되고 있다. 하지만 구리 박막은 현재까지 반도체 소자의 금속 배선으로 사용하고 있는 알루미늄이나 텅스텐 박막과는 달리 건식 식각 공정으로 양호한 패턴을 얻기 어려운 문제가 있고, 이를 해결하기 위해 다마신 공정 기법이 사용되고 있다. 다마신 공정 기법을 사용하여 비아 콘택홀 및 트랜치로 이루어진 다마신 패턴을 형성하고, 이 패턴을 매립하여 금속 배선을 형성하고 있으나, 반도체 소자가 고집적화되어 감에 따라 비아 콘택홀의 애스팩트 비(aspect ratio)가 증가되어 매립이 점점 어려워지고 있다.
따라서, 본 발명은 다층 구조의 금속 배선 형성 공정에서 비아홀 콘택 공정 없이 하부 금속 배선과 상부 금속 배선을 전기적으로 연결하면서 다양한 역할이 가능한 상부 금속 배선을 효과적으로 형성할 수 있는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 금속 배선 형성 방법은 층간 절연막에 하부 금속 배선이 형성된 기판이 제공되는 단계; 상기 하부 금속 배선상에 플러그 배선을 형성하는 단계; 상기 플러그 배선을 포함한 전체 구조상에 제 1 절연막, 에치 배리어 절연막 및 제 2 절연막을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 플러그 배선 윗부분의 에치 배리어 절연막이 노출될 때까지 화학적 기계적 연마 공정을 실시하는 단계; 상부 금속 배선용 트랜치 패턴을 형성하되, 상기 플러그 배선 부분에는 상기 에치 배리어 절연막 및 제 1 절연막을 제거하여 플러그 배선이 노출되도록 하고, 그 이외의 부분에는 상기 제 2 절연막을 제거하여 에치 배리어 절연막이 노출되도록 하는 단계; 및 상기 트랜치 패턴에 금속을 채워 상부 금속 배선을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
상기에서, 플러그 배선은 TiN, WN, TaN, TiW, CrN, Al, AlCu 중 어느 하나를 사용하여 5000 내지 20000Å의 높이를 갖는 기둥형태로 형성하고, 제 1 및 제 2 절연막은 BPSG, PSG, BSG, SOG, SiOF, HSQ, HOSP, Flare, PTFE, BCB 중 어느 하나로 형성하며, 에치 배리어 절연막은 SiN, Al2O3, SiON, 플라즈마 질화막 중 어느 하나를 이용하여 500 내지 3000Å의 두께로 형성한다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 반도체 소자를 형성하기 위한 여러 요소가 형성된 기판(11)상에 층간 절연막(12)을 형성한다. 층간 절연막(12)에 하부 금속 배선(13)을 형성한다. 하부 금속 배선(13) 상에 배리어 금속층(14) 및 플러그 배선(15)을 형성한다.
상기에서, 층간 절연막(12)은 BPSG, SOG, TEOS, 플라즈마 산화막 (PEOXIDE), HSQ, HOSP, Flare, PTFE, BCB 등으로 형성한다. HSQ, HOSP, Flare, PTFE, BCB는 저유전 특성을 갖는다. 하부 금속 배선(13)은 알류미늄, 텅스텐, 폴리실리콘, 금속 폴리사이드 등으로 형성한다. 배리어 금속층(14)은 TiN, WN, TaN, TiW, Ti, Ta 등의 단독 또는 혼용된 재료를 사용하여 200 내지 1000Å의 두께로 형성하며, 플러그 배선(15)은 TiN, WN, TaN, TiW, CrN, Al, AlCu 등의 재료를 사용하여 5000 내지 20000Å의 높이를 갖는 기둥형태로 형성된다.
도 1b를 참조하면, 플러그 배선(15)을 포함한 전체 구조상에 제 1 절연막(16), 에치 배리어 절연막(17) 및 제 2 절연막(18)을 순차적으로 형성한 후, 플러그 배선(15) 윗부분의 에치 배리어 절연막(17)이 노출될 때까지 화학적 기계적 연마 공정으로 제 2 절연막(18)을 연마한다.
상기에서, 제 2 절연막(18)은 플러그 배선(15)에 의해 생긴 단차로 인해 연 마 공정후 플러그 배선(15) 주변의 단차가 낮은 지역에 남게된다. 제 1 및 제 2 절연막(16 및 18)은 BPSG, PSG, BSG, SOG, SiOF, HSQ, HOSP, Flare, PTFE, BCB 등으로 형성한다. HSQ, HOSP, Flare, PTFE, BCB는 저유전 특성을 갖는다. 에치 배리어 절연막(17)은 SiN, Al2O3, SiON, 플라즈마 질화막(PENITRIDE) 등의 재료를 이용하여 500 내지 3000Å의 두께로 형성한다.
도 1c를 참조하면, 금속 배선 마스크를 사용한 식각 공정으로 상부 금속 배선용 트랜치 패턴(19)을 형성한다. 트랜치 패턴(19)은 플러그 배선(15) 부분에는 에치 배리어 절연막(17) 및 제 1 절연막(16)을 제거하여 플러그 배선(15)이 노출되도록 하고, 그 이외의 부분에는 제 2 절연막(18)을 제거하여 에치 배리어 절연막(17)이 노출되도록 하여 형성된다.
도 1d를 참조하면, 트랜치 패턴(19)에 금속을 채워 플러그 배선(15)을 통해 하부 금속 배선(13)과 연결되면서 다양한 역할이 가능한 상부 금속 배선(20)을 형성한다.
상기에서, 상부 금속 배선(20)은 알루미늄, 텅스텐, 구리, 금, 은, 백금 등과 같이 현재 반도체 소자의 금속 배선 재료로 사용되는 모든 금속으로 형성한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 다층 구조의 금속 배선 형성 공정에서 비아홀 콘택 공정 없이 하부 금속 배선과 상부 금속 배선을 전기적으로 연결하면서 다양한 역할이 가능한 상부 금속 배선을 효과적으로 형성할 수 있다.
Claims (8)
- 층간 절연막에 하부 금속 배선이 형성된 기판이 제공되는 단계;상기 하부 금속 배선상에 플러그 배선을 형성하는 단계;상기 플러그 배선을 포함한 전체 구조상에 제 1 절연막, 에치 배리어 절연막 및 제 2 절연막을 순차적으로 형성하는 단계;상기 플러그 배선 윗부분의 에치 배리어 절연막이 노출될 때까지 화학적 기계적 연마 공정을 실시하는 단계;상부 금속 배선용 트랜치 패턴을 형성하되, 상기 플러그 배선 부분에는 상기 에치 배리어 절연막 및 제 1 절연막을 제거하여 플러그 배선이 노출되도록 하고, 그 이외의 부분에는 상기 제 2 절연막을 제거하여 에치 배리어 절연막이 노출되도록 하는 단계; 및상기 트랜치 패턴에 금속을 채워 상부 금속 배선을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 하부 금속 배선은 알류미늄, 텅스텐, 폴리실리콘, 금속 폴리사이드중 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 하부 금속 배선과 상기 플러그 배선 사이에 배리어 금속층을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 배리어 금속층은 TiN, WN, TaN, TiW, Ti, Ta 중 적어도 어느 하나를 사용하여 200 내지 1000Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 플러그 배선은 TiN, WN, TaN, TiW, CrN, Al, AlCu 중 어느 하나를 사용하여 5000 내지 20000Å의 높이를 갖는 기둥형태로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 및 제 2 절연막은 BPSG, PSG, BSG, SOG, SiOF, HSQ, HOSP, Flare, PTFE, BCB 중 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 에치 배리어 절연막은 SiN, Al2O3, SiON, 플라즈마 질화막 중 어느 하나를 이용하여 500 내지 3000Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 상부 금속 배선은 알루미늄, 텅스텐, 구리, 금, 은, 백금중 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
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