KR100850087B1 - 구리배선의 전도도 향상을 위한 식각 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 듀얼-다마신(dual-damascene) 공정에 의한 구리배선형성에 있어 구리배선이 형성될 트렌치 부분의 표면적을 증가시켜 상기 트렌치 부분에 형성될 구리배선의 단면적을 증가시킴으로써 구리배선의 전도도를 향상시키는 방법의 제공을 목적으로 한다. 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 듀얼 다마신 공정에 있어, 구리배선 및 비아를 형성하기 위하여 식각된 산화막을 마스크로 하여 질화막을 식각하는 공정에 있어서, 상기 질화막 식각 조건을 조절하여 상기 산화막의 트렌치 부분의 표면의 조도를 증가시킴으로서, 상기 트렌치 부분에 도포되는 구리배선의 단면적을 증가시켜 구리배선의 전도도를 향상시키는 것에 있다. 본 발명에 의할 시 구리배선의 형성될 트렌치의 표면이 거칠어지고 이로 인해 구리배선의 표면적이 증가되는 효과가 나타난다. 이러한 구리배선의 표면적의 증가로 인하여 상기 구리배선의 전도도가 향상되어 소자의 동작 속도를 향상시키는 데 기여할 수 있다.

Description

구리배선의 전도도 향상을 위한 식각 방법{Methods of the etching to enhance the conductivity of copper line in semiconductor devices}
도 1a 내지 도1b는 듀얼 다마신 공정에 의한 구리배선 구조의 형성 단계를 도시한 것이다.
도 2는 듀얼 다마신 공정에 의하여 형성된 다층구조의 구리배선을 도시한 것이다.
도3a 내지 도3b는 본 발명의 적용되는 듀얼 다마신 공정의 일실시예를 단계별로 나타낸 것이다.
도4a는 종래의 질화막 식각 공정 적용시 산화막의 표면의 형상이며, 도4b는 본 발명에 의한 질화막 식각 곡정시 산화막의 표면의 형상이다.
본 발명은 듀얼-다마신(dual-damascene) 공정에 의한 구리배선형성에 있어 산화막을 마스크로 사용하여 질화막을 식각하는 단계에서 상기 질화막의 식각 조건을 조 절하여 마스크로 사용되는 산화막의 표면을 거칠게 함으로써 이후 형성될 구리선의 단면적을 증가시켜 상기 구리배선의 전기전도도를 향상시키는 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 집적도가 급격하게 증가됨에 따라 고속의 신호 전달을 위한 소자에 있어서는 종래의 알루미늄이나 텅스텐에 비해 비저항이 낮은 구리가 신호전달을 위한 금속선의 형성에 사용되고 있다. 일반적으로 구리는 종래의 플라즈마에 의한 건식 식각(dry etching)이 용이하지 않으며 따라서 이를 극복하기 위하여 다마신(damascene) 공정이 도입되었다. 즉 도포된 금속을 PR(photo resist)로 패터닝하고 이를 마스크로 하여 노출된 금속 부분을 식각하여 금속선을 형성한 후 층간절연막을 도포하는 종래의 공정과는 달리, 다마신 공정에서는 먼저 도포된 절연막을 식각하여 트렌치(trench)를 형성한 후 상기 구조의 내부를 금속으로 매립한 후 CMP(chemical mechanical polishing) 공정으로 평탄화 함으로써 목적하는 금속선 구조를 형성하게 된다. 이때 비아홀(via hole) 및 트렌치(trench)를 동시에 형성하는 경우에는 듀얼 다마신(dual damascene) 공정이라고 한다. 듀얼 다마신 공정은 비아 또는 트렌치의 형성 순서에 따라 비아-퍼스트 듀얼 다마신(via-first dual damascene)과 트렌치-퍼스트 듀얼 다마신(trench-first dual damascen)으로 나누어 진다. 도1은 트렌치를 비아보다 먼저 형성하는 트렌치-퍼스트 듀얼 다마신(trench-first dual damascene) 공정의 일실시예를 나타낸 것이다. 도1a을 참조하면, 실리콘 기판 또는 하부 금속 금속막이 형성된 반도체 기판(101)위에 제1질화막(102), 제1산화막(103), 제2질화막(104) 및 제2산화막(105)을 순차적으로 형성한다. 이때 상기 질화막은 식각시 상기 산화막과의 선택비가 높은 물질로서 산화막 식각 공정에서의 식각 중단층으로 사용된다. 제2산화막이 증착된 후 트렌치 형성용 마스크을 이용한 노광 및 식각 공정으로 제2산화막(105)을 식각하여 트렌치(106)을 형성한다. 이때 식각은 식각중단층인 제2질화막(104)에서 식각이 중단되도록 조절한다. 다음, 비아홀 형성용 마스크를 이용한 노광 및 식각 공정으로 제2질화막(104), 제1산화막(103) 및 제1질화막(102)을 순차로 제거하여 비아홀(107)을 형성한다. 도1b에는 구리선의 형성 단계가 나타나 있다. 즉 형성된 트렌치 및 비아홀을 구리를 도포하여 매립하며, 이때 구리 매립 전 구리의 확산을 방지하기 위한 확산방지층(108)으로 Ta, TaN, TiN 등이 먼저 도포된다. 구리의 도포는 ECP(electro copper plating), 화학기상법(chemical vapor deposition)등의 방법이 사용된다. 상기 비아(109) 및 트렌치(110)를 매립한 후, CMP로 평탄화함으로써 금속선을 형성한다. CMP가 완료된 후 구리의 확산방지용 또는 식각중단용으로 사용되는 캡핑 질화막(111)을 도포할 수 있다. 상기 방법과 달리 비아-퍼스트 듀얼 다마신(via-first dual damascene) 공정에서는 비아홀을 먼저 형성하고 후에 트렌치를 형성하게 된다. 소자의 고집적화에 따른 다층구조의 금속배선(multilevel metallization)에서는 이러한 듀얼 다마신 공정을 반복 사용함으로써 다층구조의 금속선을 형성하게 된다. 하위 금속선을 형성 한 후 상기 캡핑 질화막 및 층간 절열막인 산화막을 형성한 후 상기 하위 금속선과 상위 금속선을 연결하는 비아 및 상기 상위 금속선을 상술한 듀얼 다마신 공정으로 형성하게 된다. 도2에는 실리콘 기판에 형성된 소스/드레인(201)과 연결된 콘택(202) 및 제1금속선(203)과 상기 제1금속선(203)과 연결 되는 비아(204) 및 제2금속선(205)을 듀얼 다마신 공정에 의해 형성한 배선 구조가 나타나 있다.
본 발명은 듀얼-다마신(dual-damascene) 공정에 의한 구리배선형성에 있어 구리배선이 형성될 트렌치 부분의 표면적을 증가시켜 상기 트렌치 부분에 형성될 구리배선의 단면적을 증가시킴으로써 구리배선의 전도도를 향상시키는 방법의 제공을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 듀얼 다마신 공정에 의해 구리배선 및 비아를 형성하기 위하여 산화막을 식각하고, 상기 식각된 산화막을 마스크로 하여 질화막을 식각하는 공정에 있어서, 상기 질화막 식각 조건을 조절하여 상기 산화막의 트렌치 부분의 표면의 조도를 증가시키는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 본 발명의 기술적 사상의 한도 내에서 여러 형태로 구현될 수 있으며 여기에 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도3a 내지 도3b에는 본 발명의 적용되는 듀얼 다마신 공정의 일실시예를 단계별로 나타낸 것이다. 도3a를 참조하여 제1금속선(301)이 형성된 웨이퍼 위에 질화막9302) 및 산화막(303)을 순차적으로 적층하고 노광 공정 및 식각 공정을 이용하여 상기 산화막을 식각하여 비아홀 및 트렌치를 형성한 후 PR를 제거한 단계가 나타나 있다. 이때 상기 질화막(301)은 비아홀의 저면에 존재하게 된다. 도3b는 상기 도3a에서 형성된 트렌치를 마스크로 사용하여 비아홀의 저면에 있는 질화막을 식각하는 단계가 나타나 있다. 이때 질화막의 마스크로 사용되는 산화막 부분(304)은 트렌치가 형성되고 추후 신호전달을 위한 금속배선으로 구리배선이 형성될 지역이다. 이 단계의 질화막 식각은 PR이 아닌 산화막이 마스크로 사용되므로 질화막을 식각하는 동안 산화막도 역시 식각 가스에 노출된다. 이때 식각 공정의 조건을 조절함으로써 상기 산화막도 일정 부분 식각이 일어나도록 조절할 수 있는 있는 바, 이를 통해 상기 구리배선이 형성된 트렌치 부분의 표면 형상에 있어 조도를 증가시킬 수 있다. 상기 식각 시 플라즈마 발생을 위한 RF 파워는 상부 전극은 300W ~ 500W의 범위이며 하부 전극에는 RF 파워를 인가하지 않는다. 상기 식각에 사용되는 기체는 CHF3, CF4 및 N2 가스로서 각각 공급 유량은 CHF3의 경우20sccm ~ 30 sccm, CF4의 경우 3sccm ~ 7sccm, N2의 경우에는 100sccm ~ 200sccm의 범위에서 실시하며, 식각시 공정 압력은 80 mTorr ~ 90mTorr의 범위에서 실시한다. 이때 질화막에 대한 산화막의 식각률은 1.3 ~ 1.6의 비율의 범위를 가진다. 도4b에는 본 발명의 일실시예로서 상부 전극의 RF 파워가 400W, CHF3/CF4/N2를 각각 25sccm/5sccm/200sccm 공급하고, 공정 압력은 80mTorr를 유지한 경우로서, 도4a에 나타난 것과 같은 종래의 식각 공정시 산화막의 표면과 달리 산화막의 표면이 거칠어 진 것을 보여주고 있다.
본 발명에 의할 시 구리배선의 형성될 트렌치의 표면이 거칠어지고 이로 인해 구리배선의 표면적이 증가되는 효과가 나타난다. 이러한 구리배선의 표면적의 증가로 인하여 상기 구리배선의 전도도가 향상되어 소자의 동작 속도를 향상시키는 데 기여할 수 있다.

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 듀얼 다마신 공정에 의해 구리배선 및 비아를 형성하기 위하여 식각된 산화막을 마스크로 하여 질화막을 식각하는 방법에 있어서, 상기 질화막 식각 조건을 조절하여 상기 산화막 표면의 조도를 증가시키며,
    상기 질화막 식각 조건은 질화막에 대한 산화막의 식각률이 1.3 ~1.6 범위인 질화막 식각 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 질화막 식각을 위한 식각 가스로 CHF3, CF4 및 N2 가스를 사용하여 80mTorr ~ 90mTorr의 공정 압력에서 식각을 수행하며,
    상기 CHF3의 공급유량은 20sccm ~ 30 sccm 범위이고, CF4의 공급유량은 3sccm ~ 7sccm범위 이고, N2의 공급유량은 100sccm ~ 200sccm 범위이며,
    상기 질화막 식각시 플라즈마 발생을 위한 상부 전극의 파워는 300W ~ 500W인 것을 특징으로 하는 질화막 식각 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
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