KR100859634B1 - Semicondutor device and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1a 내지 도 1f은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치의 제조 공정을 개략적으로 도시한 단면도이다.1A to 1F are cross-sectional views schematically illustrating a process of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 2a 내지 도 2b는 종래 구조에 따른 반도체 장치의 제조 공정을 개략적으로 도시한 단면도이다. 2A to 2B are cross-sectional views schematically illustrating a manufacturing process of a semiconductor device according to a conventional structure.
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본 발명은 반도체 장치 및 이의 제조 방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 개선된 구조를 채용하여 정렬 마크(Align Mark)가 정상적으로 정의되는 구조를 채용한 반도체 장치 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
최근, 하나의 반도체 칩에 109개 이상의 소자가 집적되어 있다. 이렇듯 반도체 칩이 점점 미세화되어 소자 구조가 복잡해지고 다층 배선의 층수가 증가함에 따라 칩의 표면에는 요철이 증가한다. 따라서 평탄화 기술이 더욱 중요해 지고 있는데, 특히 화학적기계적연마(chemical mechanical polishing 이하, CMP) 공정은 반도체 소자의 사이즈 감소 및 집적도 증가에 따른 평탄화 요구에 대응하기 위해 필수적으로 도입되는 반도체 공정의 하나이다.Recently, more than 10 9 devices are integrated in one semiconductor chip. As the semiconductor chip becomes smaller and smaller, the device structure becomes more complicated, and the number of layers of the multilayer wiring increases, the surface of the chip increases irregularities. Therefore, planarization technology is becoming more important. Especially, chemical mechanical polishing (CMP) process is one of the semiconductor processes that are essentially introduced to meet the planarization demands of the size reduction and integration of semiconductor devices.
이러한 CMP는 실리카 입자를 포함한 액상의 슬러리를 흘려주면서 스핀들에 장착된 웨이퍼의 표면을 회전 테이블 표면의 연마패드에 접촉시켜 연마하는 공정이다. 특히, 반도체 기판 상에 형성된 절연막에 비아홀(via hole)을 형성하고, 비아홀에 텅스텐 등의 도전물질을 매립하는 경우 비아홀 상부 및 주변에 더욱 증착된 도전 물질을 CMP에 의해 제거한다. 이때 텅스텐과 옥사이드의 선택비가 큰 슬러리를 사용하여 옥사이드의 표면에 텅스텐이 잔류하지 않도록 한다. 그런데, 이종재료를 연마하는 과정에서 CMP의 특성상 침식 현상(erosion)이 반드시 발생한다.The CMP is a process of polishing a surface of a wafer mounted on a spindle by contacting a polishing pad on a surface of a rotating table while flowing a slurry of a liquid including silica particles. In particular, when a via hole is formed in an insulating film formed on a semiconductor substrate and a conductive material such as tungsten is buried in the via hole, the conductive material further deposited on and around the via hole is removed by CMP. At this time, using a slurry having a large selectivity of tungsten and oxide to prevent tungsten from remaining on the surface of the oxide. However, in the process of polishing the dissimilar materials, erosion occurs necessarily due to the characteristics of the CMP.
최근, 반도체 소자의 사이즈가 감소함에 따라 이 침식되는 양도 줄어든다. 그러나 소자의 선 폭이 줄어들어도 더미(dummy) 영역에 형성된 정렬 마크는 기존의 넓은 선 폭을 갖는 마스크를 그대로 사용하는 경우가 많으므로, 더미 영역은 여전히 CMP에 의해 광범위한 침식이 발생한다. 따라서 정렬 마크가 정상적으로 정의되지 않는 문제가 발생하는 데, 이는 후공정 진행의 지장을 초래한다.In recent years, as the size of semiconductor elements decreases, the amount of this erosion also decreases. However, even if the line width of the device is reduced, the alignment marks formed in the dummy area often use the existing mask having a wide line width as it is, so that the dummy area still causes extensive erosion by CMP. Therefore, a problem arises in that the alignment mark is not defined normally, which leads to a problem of the post process progress.
도 2a 내지 도 2b는 종래 구조에 따른 반도체 소자의 제조 공정을 개략적으로 도시한 단면도이다.2A to 2B are cross-sectional views schematically illustrating a manufacturing process of a semiconductor device according to a conventional structure.
도 2a를 참조하면, 기판(1) 상의 더미 영역에 형성된 리세스(4)의 크기가 기 판(1) 상의 칩 영역에 형성된 비아홀(3)의 폭보다 상대적으로 크기 때문에 비아홀(3)에는 텡스텐(5)이 모두 매립되고 오히려 상부에 더욱 증착되는 동안 더미 영역에는 텅스텐(5)이 제대로 채워지지 않고 여전히 아래로 파진 형태의 오목한 리세스(4)를 형성한다. 따라서, 도 2b를 참조하면 CMP 수행시 칩 영역 상부의 텡스텐(5)이 연마되는 동안 더미영역은 절연막(2)까지 더욱 제거된다. 따라서, 이후의 공정 진행 시 정렬 마크가 제대로 정의되지 않는 문제가 생긴다.Referring to FIG. 2A, because the size of the
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 개선된 구조를 채용하여 정렬 마크가 명확히 정의되는 반도체 장치 및 이의 제조 방법을 제공한다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and provides a semiconductor device and a method of manufacturing the same, in which an alignment mark is clearly defined by employing an improved structure.
본 발명에 따른 반도체 장치는 칩(chip) 영역 및 더미(dummy) 영역이 정의된 기판, 상기 기판 상에 형성된 절연막, 상기 칩 영역에 대응하는 영역의 절연막에 형성되고 도전 물질이 채워진 복수의 비아홀, 상기 더미 영역에 대응하는 영역의 절연막에 형성되고 상기 도전 물질이 채워진 리세스(recess)를 포함하고, 상기 리세스에 채워진 도전 물질의 두께는 상기 비아홀의 폭보다 크게 형성된다. According to an exemplary embodiment of the present invention, a semiconductor device includes a substrate having a chip region and a dummy region defined therein, an insulating film formed on the substrate, a plurality of via holes formed in an insulating film of a region corresponding to the chip region, and filled with a conductive material; And a recess formed in the insulating layer corresponding to the dummy region and filled with the conductive material, wherein the thickness of the conductive material filled in the recess is greater than the width of the via hole.
이때, 상기 리세스에 채워진 도전물질의 두께는 상기 비아홀의 폭보다 1.5배내지 3배 크게 형성될 수 있다.In this case, the thickness of the conductive material filled in the recess may be 1.5 to 3 times larger than the width of the via hole.
또한, 상기 리세스에 채워진 도전 물질의 최상부 높이는 실질적으로 상기 절연막의 높이와 동일하게 형성될 수 있다.In addition, an uppermost height of the conductive material filled in the recess may be substantially the same as that of the insulating layer.
또한, 상기 리세스에 채워진 도전 물질의 최상부는 실질적으로 수평으로 형성될 수 있다.In addition, the top of the conductive material filled in the recess may be formed substantially horizontally.
또한, 상기 도전 물질은 텅스텐을 포함할 수 있다.In addition, the conductive material may include tungsten.
한편, 본 발명에 따른 반도체 장치의 제조 방법은 기판 상에 절연막을 증착하는 단계, 상기 절연막 상에 칩 영역 및 더미 영역을 정의하고 상기 칩 영역에 복수의 비아홀을 형성하고 상기 더미 영역에 리세스를 형성하는 단계, 상기 복수의 비아홀 및 리세스가 형성된 절연막 상에 도전 물질을 증착하는 제1 증착 단계, 상기 증착된 도전 물질 상에 상기도전 물질을 더욱 증착하는 제2 증착 단계, 및 상기 증착된 도전 물질을 평탄화하는 단계를 포함하고, 상기 상기 제1 증착 단계와 상기 제2 증착 단계에서의 증착 속도는 서로 다르게 형성될 수 있다. Meanwhile, the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes depositing an insulating film on a substrate, defining a chip region and a dummy region on the insulating layer, forming a plurality of via holes in the chip region, and recessing the dummy region. Forming, a first deposition step of depositing a conductive material on the insulating film on which the plurality of via holes and recesses are formed, a second deposition step of further depositing the conductive material on the deposited conductive material, and the deposited conductive And planarizing a material, wherein deposition rates in the first deposition step and the second deposition step may be different from each other.
이때, 상기 제2 증착 단계에서의 증착 속도는 상기 제1 증착 단계에서의 증착 속도보다 크게 형성될 수 있다.In this case, the deposition rate in the second deposition step may be greater than the deposition rate in the first deposition step.
또한, 제1 증착 단계와 상기 제2 증착 단계에서의 증착 시간은 실질적으로 동일하게 형성될 수 있다.In addition, the deposition time in the first deposition step and the second deposition step may be formed to be substantially the same.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명의 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면번호를 사용하여 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art can easily understand, the embodiments described below may be modified in various forms without departing from the spirit and scope of the present invention. Wherever possible the same or similar parts are represented with the same reference numbers in the drawings.
또한, 이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어 들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련 기술 문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.In addition, all terms including technical terms and scientific terms used below have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms defined in advance are further interpreted to have a meaning consistent with the related technical literature and the presently disclosed contents, and are not interpreted in an ideal or very formal sense unless defined.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치 및 그 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 개략적으로 도시한 공정도이다. 도 1a 내지 도 1e에서는 이해를 돕기 위해 반도체 기판(10)의 및 절연막(20)의 크기나 두께를 다소 과장되게 표현하였으나 이는 본 발명을 예시하기 위한 것에 불과하고 도면에 도시한 것에 한정되지 않는다.1A to 1E are process diagrams schematically illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. In FIGS. 1A to 1E, the size and thickness of the
먼저, 도 1a에 도시한 바와 같이 같이 칩 영역 및 더미 영역이 정의된 기판(10)에 절연막(20)을 증착한다. 기판(10)은 실리콘 기판, 화합물 반도체 기판 및 이의 등가물을 사용할 수 있는데, 여기에 한정되는 것은 아니다. 절연막(20)은 반도체 기판(10)을 약 900℃ 정도의 수증기 분위기에서 실리콘과 산소를 반응시켜 반도체 기판(10)의 표면에 실리콘 산화막을 성장시켜 형성한다. 또한, 도시하지는 않았지만 기상성장법 등을 통하여 실란(SiH4)과 암모니아(NH3) 가스를 고온에서 반응시켜 절연막 상에 실리콘 질화막을 더욱 형성할 수 있다.First, as illustrated in FIG. 1A, an
다음으로, 도 1b에 도시한 바와 같이 칩 영역의 절연막(20')에 복수의 비아홀(30)을 형성하고, 더미 영역의 절연막(20)에 리세스(recess)(40)를 형성한다. 이러한 비아홀(30) 및 리세스(40)는 절연막(20) 상에 감광액을 도포하고 노광한 다음 사진 식각하여 감광액 패턴을 형성하고, 이 감광액 패턴을 마스크로 하여 식각 공정을 수행하여 형성할 수 있다. 한편, 각 리세스(40) 영역은 이후의 다이 세퍼레이팅(die separating) 공정에서 스크라이빙(scribing)되어 각 칩으로 분리된다. Next, as shown in FIG. 1B, a plurality of
다음으로, 도 1c에 도시한 바와 같이, 복수의 비아홀(30) 및 리세스(40)에 도전 물질(40)을 채운다. 이 도전 물질은 텅스텐을 포함하는 물질로 이루어질 수 있다. 우선, 복수의 비아홀(30)에 채워지는 도전 물질(50)의 보이드(void) 형성을 방지하기 위해 통상적으로 사용되는 증착 속도로 복수의 비아홀(30) 및 리세스(40)를 매립한다(제1 증착 단계). 이 경우, 칩 영역의 비아홀(30)이 형성된 부분은 도전 물질(50)이 모두 채워지지만, 상대적으로 폭이 넓은 더미 영역의 리세스(40) 전체에 도전 물질(50)이 채워지지는 않는다. 따라서, 도시한 바와 같이 여전히 리세스(40)를 형성한다.Next, as shown in FIG. 1C, the
다음으로, 도 1d에 도시한 바와 같이, 전술한 제1 증착 단계보다 더욱 빠른 증착 속도로 도전 물질(50)을 증착한다(제2 증착 단계). 이때, 제1 증착 단계와 제2 증착 단계에서의 증착 시간은 실질적으로 동일해도, 제2 증착 단계에서의 증착 속도가 제1 증착 단계보다 빠르기 때문에 도전 물질(50)이 제1 증착 단계에서 증착된 도전 물질(50) 상에 벌크(bulk)로 증착된다. 이 경우, 칩 영역의 비아홀(30)이 형성된 부분에는 도전 물질(50)이 더욱 증착되어 위로 볼록한 형상을 갖게 되고, 더미 영역의 리세스(40)에 증착되는 도전 물질(50)의 두께는 더욱 증대된다. 이와 같이, 비아홀(30)에 도전 물질(50)을 매립한 후, 다시 이보다 빠른 증착 속도로 도 전 물질(50)을 비아홀(30) 상부 및 리세스(40)에 더욱 매립하면, 리세스(40)에 형성된 도전 물질(50)의 두께(T)를 비아홀의 폭(t)보다 더욱 크게 형성시킬 수 있다. 더욱 상세하게는 제2 증착 단계에서의 증착 속도를 제어하여 리세스(40)에 형성된 도전 물질(50)의 두께를 비아홀 폭(t)의 1.5 배 내지 3배로 형성할 수 있다. Next, as illustrated in FIG. 1D, the
다음으로, 도 1e에 도시한 바와 같이, 화학적기계적연마(chemical mechanical polishing ; 이하, CMP) 공정을 수행한다. CMP에 의해 도전 물질(50)이 증착된 표면을 연마 패드(60)의 표면 위로 접촉하도록 한 상태에서 슬러리를 공급하면서 도전 물질이 증착된 표면을 화학적으로 반응시킨다. 또한 캐리어(미도시)를 상대 운동시켜 도전 물질(50)이 증착된 표면을 물리적으로 연마하여 도 1f에 도시한 바와 같이 전면 평탄화를 구현한다.Next, as illustrated in FIG. 1E, a chemical mechanical polishing (CMP) process is performed. The surface on which the
이 경우, 도전 물질과 산화물의 선택비가 큰 슬러리를 사용하여 산화물 표면에 도전 물질이 잔류하지 않도록 한다. 즉, 비아 브릿지(via bridge)의 형성을 막아야 한다. 그런데, 본 실시예에서는 CMP 시에 더미 영역에 형성된 리세스(40)에 증착된 도전 물질의(50) 두께(T)를 칩 영역에 형성된 비아홀(30)의 두께(t)보다 두껍게 형성시키므로 비아 브릿지의 형성을 막을 뿐만 아니라, 더미 영역의 침식 현상도 막는다. 즉, CMP 시에 도전 물질을 연마하는 과정에서 더미 영역의 리세스(40)에 형성된 도전 물질(50)의 두께(T)와 비아홀에 형성된 도전 물질의 두께(t)가 같으면, 비아홀(30) 상부 및 주변부의 도전 물질(50)이 연마로 제거된 후 비아홀의 패턴이 연마되는 동안, 더미 영역의 리세스 상부에 형성된 도전 물질(50)은 이미 침식되고 제거를 원하지 않는 절연막(20') 부분이 더욱 침식된다.In this case, a slurry having a large selectivity of the conductive material and the oxide is used to prevent the conductive material from remaining on the oxide surface. That is, the formation of the via bridge must be prevented. However, in the present embodiment, since the thickness T of the conductive material deposited on the
따라서, 본 실시예에서는 리세스(40)에 형성되는 도전 물질의 두께(T)를 비아홀의 폭(t) 보다 크게 형성하여 리세스 주변 절연막(20')의 침식을 방지한다. 이때, 전술한 바와 같이, 리세스(40)에 형성되는 도전 물질(50)의 두께는 비아홀의 폭보다 1.5배 내지 3배의 범위로 형성할 수 있다. 리세스(40)에 형성되는 도전 물질(50)의 두께(T)가 비아홀(30) 폭(t)의 1.5배 이하이면 절연막의 침식 정도가 커서 비아 브릿지의 형성을 완전히 막으나 정렬 마크가 제대로 정의되지 않고, 3배 이상이면 불필요하게 많은 도전 물질을 증착하게 되어 경제성에 반하기 때문이다. Therefore, in the present embodiment, the thickness T of the conductive material formed in the
또한, 본 실시예에서는 전술한 바와 같이 제2 증착 단계에 의해 도전 물질을 더욱 증착하므로 리세스(40)에 매립된 도전 물질(50)과 인접하는 절연막(20')의 최상부 높이보다 더욱 높은 부분만 연마되며, 절연막(20')의 최상부 높이보다 아래에 위치한 부분의 절연막(20')은 연마되지 않는다. 따라서, 리세스(40)에 채워진 도전 물질의 최상부 높이는 실질적으로 절연막의 높이와 동일하게 형성된다. 또한, 절연막의 최상부 높이보다 아래 부분의 절연막이 연마되지 않으므로, 리세스에 형성된 도전 물질의 최상부는 실질적으로 수평으로 형성된다. In addition, in the present embodiment, since the conductive material is further deposited by the second deposition step as described above, the portion higher than the top height of the insulating
이와 같이 상기한 구성의 반도체 장치(100)는 더미 영역의 리세스(40)를 따라 형성된 도전 물질(50)의 침식을 방지하므로 정렬 마크가 항상 명확하게 정의된다. 따라서, 후속 되는 포토리소그래피 공정 등에서 금속 패턴이 제대로 정의되므로 제품의 불량을 방지하고 수율을 현저히 향상 시킬 수 있다.As described above, since the
이하, 본 발명의 실험예에 따라 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 본 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며 본 발명은 이에 한정되지 않는다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail according to the experimental example of the present invention. This experimental example is only for illustrating the present invention and the present invention is not limited thereto.
[실험예]Experimental Example
본 실험예에서는 도전 물질로 텅스텐(W)을 사용하여 제1 조건 및 제2 조건으로 절연막 상에 증착을 수행하였다. 제1 조건 및 제2 조건은 다음과 같다.In the present experimental example, deposition was performed on the insulating film under the first and second conditions using tungsten (W) as the conductive material. The first condition and the second condition are as follows.
우선 비아홀 내 보이드(void)의 발생을 억제하는 증착 속도인 제1 조건 하에서 비아홀 및 리세스를 텅스텐으로 매립하고(제1 증착 단계), 증착 속도가 제1 조건보다 1.5 내지 3배 빠른 제2 조건(제2 증착 단계) 하에서 텡스텐을 벌크로 증착하였다. 이때, 증착 시간은 제1 조건과 제2 조건이 실질적으로 동일하도록 하였다. 제2 조건에 의할 때, 리세스에 형성된 텅스텐의 두께는 비아홀 두께의 1.5 내지 3배로 형성되었다. 이 경우에 후속 공정인 CMP를 수행할 때리세스 하부의 절연막이 침식되는 것을 방지할 수 있었다.First, the via hole and the recess are buried in tungsten (first deposition step) under a first condition that is a deposition rate that suppresses the generation of voids in the via hole (first deposition step), and the second condition is 1.5 to 3 times faster than the first condition. Tungsten was deposited in bulk under (second deposition step). At this time, the deposition time was such that the first condition and the second condition were substantially the same. Under the second condition, the thickness of tungsten formed in the recess was formed 1.5 to 3 times the thickness of the via hole. In this case, when the CMP, which is a subsequent process, was performed, the insulating layer under the recess could be prevented from eroding.
따라서, 정렬 마크가 불명확하게 정의되는 현상을 방지할 수 있어 후속 공정인 포토리소그래피 공정에서 금속 패턴이 정확하게 정의될 수 있다.Therefore, the phenomenon in which the alignment marks are defined indefinitely can be prevented so that the metal pattern can be accurately defined in the subsequent process of the photolithography process.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 하나의 실시예 또는 실험예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예 또는 실험예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.What has been described above is only one embodiment or experimental example according to the present invention, and the present invention is not limited to the above-described examples or experimental examples, and the scope of the present invention as claimed in the following claims is outside the scope of the present invention. Without this, anyone skilled in the art to which the present invention pertains will have the technical spirit of the present invention to the extent that various modifications can be made.
본 발명은 더미 영역에 증착되는 도전 물질의 두께를 증대시켜 침식현상을 억제하므로 정렬 마크가 명확히 정의된다.The present invention suppresses erosion by increasing the thickness of the conductive material deposited in the dummy region, so that the alignment mark is clearly defined.
또한, 정렬 마크가 명확히 정의되므로 후속되는 포토리소그래피 공정에서 금속 패턴을 명확하게 정의할 수 있다.In addition, the alignment marks are clearly defined so that the metal pattern can be clearly defined in the subsequent photolithography process.
또한, 제품의 불량을 미리 방지하여 수율을 현저히 향상시킬 수 있다.In addition, it is possible to prevent the failure of the product in advance to significantly improve the yield.
Claims (8)
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KR1020070047863A KR100859634B1 (en) | 2007-05-16 | 2007-05-16 | Semicondutor device and method for manufacturing the same |
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Cited By (1)
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CN111916425A (en) * | 2019-05-10 | 2020-11-10 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | Semiconductor forming method and structure thereof |
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2007
- 2007-05-16 KR KR1020070047863A patent/KR100859634B1/en not_active IP Right Cessation
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