KR100935196B1 - 반도체 소자의 금속배선 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다마신(Damascene) 공정을 개선할 수 있는 반도체 소자의 금속배선 형성방법을 개시한다. 개시된 본 발명에 따른 반도체 소자의 금속배선 형성방법은, 반도체 기판 상에 콘택홀을 구비한 절연막을 형성하는 단계; 상기 콘택홀의 표면을 포함한 절연막 상에 TiN막을 형성하는 단계; 상기 TiN막 상에 반사 방지막을 형성하는 단계; 상기 반사 방지막, TiN막 및 절연막을 식각하여 상기 콘택홀의 상단부에 트렌치를 형성하는 단계; 상기 반사 방지막을 제거하는 단계; 및 상기 트렌치 및 콘택홀을 매립하도록 금속막을 형성하는 단계;를 포함한다.
Description
본 발명은 반도체 소자의 금속배선 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 다마신(Damascene) 공정을 개선할 수 있는 반도체 소자의 금속배선 형성방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 소자에는 소자와 소자 간, 또는, 배선과 배선 간을 전기적으로 연결하기 위해 금속 배선이 형성되며, 상부 금속 배선과 하부 금속 배선 간의 연결을 위해 콘택 플러그가 형성된다.
상기 금속 배선의 재료로는 전기 전도도가 우수한 알루미늄(Al) 및 텅스텐(W)이 주로 이용되어 왔으며, 최근에는 상기 알루미늄 및 텅스텐보다 전기 전도도가 월등히 우수하고 저항이 낮아 고집적 고속동작 소자에서 RC 신호 지연 문제를 해결할 수 있는 구리(Cu)를 차세대 금속 배선 물질로 사용하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 그런데, 상기 구리의 경우 배선 형태로 건식 식각되는 것이 용이하지 않기 때문에, 구리로 금속 배선을 형성하기 위해서는 다마신(Damascene)이라는 새로운 공정 기술이 이용된다.
상기 다마신 금속 배선 공정은 반도체 기판 상에 형성된 절연막을 식각해서 배선 형성 영역을 형성하고, 상기 배선 형성 영역을 매립하도록 구리막을 증착한 후에 상기 구리막을 CMP(Chemical Mechanical Polishing)하여 금속 배선을 형성하는 기술이다. 상기 다마신 공정은 싱글-다마신 공정과 듀얼-다마신 공정으로 나눌 수 있다.
이하에서는, 종래 기술에 따른 금속 배선의 형성 공정을 포함한 반도체 소자의 제조방법을 간략하게 설명하도록 한다.
반도체 기판 상에 절연막을 형성한 다음, 상기 절연막을 식각하여 콘택홀을 형성한다. 상기 콘택홀을 포함한 절연막 상에 반사 방지막을 형성한 다음, 상기 반사 방지막 상에 감광막 패턴을 형성한다. 상기 감광막 패턴을 식각 마스크로 상기 반사 방지막 및 절연막을 식각하여 상기 콘택홀 상부에 트렌치를 형성함으로써, 상기 콘택홀 및 트렌치를 포함하는 배선 형성 영역을 형성한다. 상기 배선 형성 영역을 포함한 절연막 상에 확산방지막을 형성한 후, 상기 확산방지막 상에 상기 배선 형성 영역을 매립하도록 배선용 금속막, 예컨대, 구리막을 증착한다. 이어서, 상기 구리막을 상기 절연막이 노출되도록 CMP(Chemical Mechanical Polishing)하여 금속 배선을 형성한다.
그러나, 전술한 종래 기술의 경우에는 상기 콘택홀의 좁은 폭으로 인해 상기 트렌치의 형성 후에도 콘택홀 내부에 반사 방지막이 잔류되며, 상기 잔류된 반사 방지막의 측벽에 식각 공정시 발생된 산화막 재질의 부산물이 흡착되어 후속 금속막의 증착이 제대로 이루어지지 않는다.
자세하게, 상기 트렌치를 형성하기 위한 절연막의 식각 공정시 식각 가스로서 SF6 가스와 CFCl3가 사용되는데, 이러한 식각 가스는 SiO2막으로 이루어진 절연막을 휘발성 SiClxHy으로 만들면서 식각한다. 이때, 절연막이 식각되면서 쉽게 산화되는 Cl, H는 휘발되고, 산화막(SiO2) 재질의 부산물이 발생하는데, 상기 부산물은 상기 반사 방지막의 측벽에 흡착된다.
도 1은 전술한 종래 기술의 문제점을 보여주는 반도체 소자의 사진이다.
도시된 바와 같이, 트렌치를 형성한 후에도 콘택홀 내에 반사 방지막이 잔류되어 있으며, 상기 잔류된 반사 방지막의 측벽에 부산물이 흡착되어 있다. 이러한 부산물은 상기 반사 방지막이 제거된 후에도 여전히 제거되지 않은 채 남아있으며, 이 때문에, 후속 금속막의 증착이 제대로 이루어지지 않는 원인이 된다.
본 발명은 다마신(Damascene) 공정을 개선할 수 있는 반도체 소자의 금속배선 형성방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 금속배선 형성방법은, 반도체 기판 상에 콘택홀을 구비한 절연막을 형성하는 단계; 상기 콘택홀의 표면을 포함한 절연막 상에 TiN막을 형성하는 단계; 상기 TiN막 상에 반사 방지막을 형성하는 단계; 상기 반사 방지막, TiN막 및 절연막을 식각하여 상기 콘택홀의 상단부에 트렌 치를 형성하는 단계; 상기 반사 방지막을 제거하는 단계; 및 상기 트렌치 및 콘택홀을 매립하도록 금속막을 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 TiN막은 PVD(Physical Vapor Deposition), 또는, CVD(Chemical Vapor Deposition) 방식으로 형성한다.
상기 TiN막은 20∼100Å의 두께를 갖도록 형성한다.
상기 트렌치를 형성하는 단계는, 상기 TiN막과 절연막의 식각 선택비가 동일한 식각 방식, 또는, 상기 TiN막의 식각 선택비가 상기 절연막의 식각 선택비보다 큰 식각 방식으로 수행한다.
상기 TiN막과 절연막의 식각 선택비가 동일한 식각 방식은, 상기 TiN막의 식각 가스와 상기 절연막의 식각 가스를 1:0.8∼1:1.2의 유량비로 플로우시키면서 수행한다.
상기 TiN막의 식각 가스는 Cl2 가스를 포함하며, 상기 절연막의 식각 가스는 SF6 가스를 포함한다.
상기 TiN막과 절연막의 식각 선택비가 동일한 식각 방식은, 상기 TiN막의 식각 가스와 상기 절연막의 식각 가스 및 Ar 가스를 플로우시키면서 수행한다.
상기 TiN막과 절연막의 식각 선택비가 동일한 식각 방식은, 150∼200W의 RF(Radio Frequency) 파워 및 5∼15W의 DC(Direct Current) 파워 조건으로 수행한다.
상기 반사 방지막을 제거하는 단계 후, 그리고, 상기 금속막을 형성하는 단 계 전, 상기 트렌치 및 콘택홀의 표면을 포함한 절연막 상에 베리어막을 형성하는 단계;를 더 포함한다.
상기 금속막은 구리막을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 소자의 금속배선 형성방법은, 반도체 기판 상에 콘택홀을 구비한 절연막을 형성하는 단계; 상기 콘택홀의 표면을 포함한 절연막 상에 TaN막을 형성하는 단계; 상기 TaN막 상에 반사 방지막을 형성하는 단계; 상기 반사 방지막, TaN막 및 절연막을 식각하여 상기 콘택홀의 상단부에 트렌치를 형성하는 단계; 상기 반사 방지막을 제거하는 단계; 및 상기 트렌치 및 콘택홀을 매립하도록 금속막을 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 TaN막은 PVD, 또는, CVD 방식으로 형성한다.
상기 TaN막은 20∼100Å의 두께를 갖도록 형성한다.
상기 트렌치를 형성하는 단계는, 상기 TaN막과 절연막의 식각 선택비가 동일한 식각 방식, 또는, 상기 TaN막의 식각 선택비가 상기 절연막의 식각 선택비보다 큰 식각 방식으로 수행한다.
상기 TaN막과 절연막의 식각 선택비가 동일한 식각 방식은, 상기 TaN막의 식각 가스와 상기 절연막의 식각 가스를 1:0.8∼1:1.2의 유량비로 플로우시키면서 수행한다.
상기 TaN막의 식각 가스는 Cl2 가스를 포함하며, 상기 절연막의 식각 가스는 SF6 가스를 포함한다.
상기 TaN막과 절연막의 식각 선택비가 동일한 식각 방식은, 상기 TaN막의 식각 가스와 상기 절연막의 식각 가스 및 Ar 가스를 플로우시키면서 수행한다.
상기 TaN막과 절연막의 식각 선택비가 동일한 식각 방식은, 150∼200W의 RF 파워 및 5∼15W의 DC 파워 조건으로 수행한다.
상기 반사 방지막을 제거하는 단계 후, 그리고, 상기 금속막을 형성하는 단계 전, 상기 트렌치 및 콘택홀의 표면을 포함한 절연막 상에 베리어막을 형성하는 단계;를 더 포함한다.
상기 금속막은 구리막을 포함한다.
본 발명은 콘택홀의 표면을 포함한 절연막 상에 TiN막을 형성한 후에, 상기 TiN막 상에 반사 방지막을 형성하고 공지의 포토 공정으로 트렌치를 형성함으로써, 상기 반사 방지막의 측벽에 산화막 재질의 부산물이 흡착되어 잔류되는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기 콘택홀과 트렌치를 포함하는 배선 형성 영역 내에 배선용 금속막을 효과적으로 증착할 수 있으며, 이를 통해, 금속배선을 형성하기 위한 다마신(Damascene) 공정을 효과적으로 개선할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.
도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 금속배선 형성 방법을 설명하기 위한 공정별 단면도로서, 이를 설명하면 다음과 같다.
도 2a를 참조하면, 소정의 하부 구조물(도시안됨)이 형성된 반도체 기판(100) 상에 금속막, 예컨대, 알루미늄막을 증착한 후, 상기 알루미늄막을 식각하여 하부 금속배선(102)을 형성한다. 상기 하부 금속배선(102)을 덮도록 제1절연막(104)을 형성한 후, 상기 제1절연막(104) 상에 제2절연막(106)을 형성한다. 상기 제2절연막(106)을 식각하여 상기 하부 금속배선(102)을 노출시키는 콘택홀(H)을 형성한다.
도 2b를 참조하면, 상기 콘택홀(H)의 표면을 포함한 제2절연막(106) 상에 베리어용 TiN막(108)을 형성한다. 상기 베리어용 TiN막(108)은, 예컨대, PVD(Physical Vapor Deposition), 또는, CVD(Chemical Vapor Deposition) 방식으로 형성하며, 바람직하게, 20∼100Å의 두께를 갖도록 형성한다.
도 2c를 참조하면, 상기 베리어용 TiN막(108) 상에 반사 방지막(110)을 형성한다. 상기 반사 방지막(110)은 상기 콘택홀(H)의 내부를 일부 매립하도록 형성될 수도 있다.
도 2d를 참조하면, 상기 반사 방지막(110) 상에 상기 콘택홀(H)을 노출시키는 감광막 패턴(112)을 형성한다. 상기 감광막 패턴(112)은 상기 콘택홀(H)의 상단부에 콘택홀(H)보다 큰 폭을 갖는 트렌치를 형성할 수 있도록, 상기 콘택홀(H) 및 그 주변의 반사 방지막(110) 부분이 함께 노출되도록 형성하는 것이 바람직하다.
도 2e를 참조하면, 상기 감광막 패턴(112)에 의해 노출된 반사 방지막(110), 베리어용 TiN막(108) 및 제2절연막(106) 부분을 식각하여 상기 콘택홀(H)의 상단부에 트렌치(T)를 형성한다. 상기 트렌치(T)는 콘택홀(H)보다 넓은 폭을 갖도록 형성한다.
여기서, 상기 트렌치(T)를 형성하기 위한 식각 공정은 상기 TiN막(108)과 산화막 재질의 제2절연막(106)의 식각 선택비가 동일한 식각 방식으로 수행한다. 상기 TiN막(108)과 제2절연막(106)의 식각 선택비가 동일한 식각 방식은, 상기 TiN막(108)의 식각 가스인 Cl2 가스와 상기 제2절연막(106)의 식각 가스인 SF6 가스를 1:0.8∼1:1.2의 유량비, 바람직하게, 1:1의 유량비로 플로우시키면서 수행한다. 이때, 상기 Cl2 가스, SF6 가스와 함께 Ar 가스를 함께 플로우시키는 것이 바람직하다. 또한, 상기 TiN막(108)과 제2절연막(106)의 식각 선택비가 동일한 식각 방식은, 150∼200W의 RF(Radio Frequency) 파워 및 5∼15W의 DC(Direct Current) 파워 조건으로 수행한다. 이렇게 하면, 상기 TiN막(108)과 산화막 재질의 제2절연막(106)을 함께 식각하여 트렌치(T)를 형성할 수 있다.
한편, 상기 트렌치(T)를 형성하기 위한 식각 공정시 상기 베리어용 TiN막(108)의 식각률을 낮추어 상기 베리어용 TiN막(108)이 상기 제2절연막(106)의 식각 방지막 역할을 하도록 수행하는 것도 가능하다.
여기서, 본 발명은 상기 트렌치(T)를 형성하기 위한 식각 공정을 상기 베리어용 TiN막(108)과 산화막 재질의 제2절연막(106)이 함께 식각되도록 수행하므로, 식각 가스에 의해 발생된 산화막 재질의 부산물도 함께 제거할 수 있다. 따라서, 본 발명은 상기 콘택홀 내부에 잔류된 반사 방지막(110)의 측벽에 상기 산화막 재질의 부산물이 흡착되지 않는다.
도 2f를 참조하면, 상기 감광막 패턴과 반사 방지막을 제거한다. 그 결과, 반도체 기판(100) 상에 상기 트렌치(T) 및 콘택홀(H)을 포함하며, 하부 금속배선(102)을 노출시키는 상부 배선 형성 영역(D)이 형성된다.
도 2g를 참조하면, 상기 상부 배선 형성 영역(D)의 표면을 포함한 베리어용 TiN막(108) 상에 베리어막(114)을 형성한다. 상기 베리어막(114)은, 예컨대, 금속계막으로 형성한다. 여기서, 본 발명은 상기 베리어막(114)의 형성 전에 미리 베리어용 TiN막(108)이 형성된 상태이므로, 베리어막(114)을 종래보다 용이하게 형성할 수 있다. 구체적으로, 본 발명은 콘택홀(H)의 저면 및 측면 상에 이미 금속계막인 베리어용 TiN막이 형성되어 베리어막 역할을 하는 것이 가능므로, 후속 베리어막(114)을 보다 용이하게 형성할 수 있는 것이다.
도 2h를 참조하면, 상기 베리어막(114) 상에 상기 배선 형성 영역(D)을 매립하도록 배선용 금속막을 형성한다. 상기 배선용 금속막은, 바람직하게, 구리막을 포함한다. 다음으로, 상기 구리막, 베리어막(114) 및 TiN막(108)을 상기 제2절연막(106)이 노출되도록 제거하여 하부 금속배선(102)과 콘택하는 상부 금속배선(116)을 형성한다.
전술한 본 발명의 일 실시예는, 콘택홀의 표면을 포함한 제2절연막 상에 TiN막을 형성한 상태이서 상기 TiN막과 제2절연막을 함께 식각하여 트렌치를 형성함으로써, 상기 트렌치를 형성하기 위한 식각 공정시 발생된 산화막 재질의 부산물을 함께 제거할 수 있다. 따라서, 본 발명은 반사 방지막의 측벽에 산화막 재질의 부착물이 흡착되는 것을 방지할 수 있으며, 이를 통해, 후속 금속막의 증착 공정을 제대로 수행할 수 있으므로, 본 발명은 배선을 형성하기 위한 다마신(Damascene) 공정을 효과적으로 개선할 수 있다.
한편, 전술한 본 발명의 일 실시예에서는 콘택홀의 표면을 포함한 제2절연막 상에 TiN막을 형성함으로써 상기 TiN막과 제2절연막을 함께 식각할 수 있었지만, 본 발명의 다른 실시예로서 상기 TiN막 대신 TaN막을 형성하는 방법으로도 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 효과를 얻을 수 있다.
이상, 여기에서는 본 발명을 특정 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명이 그에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구의 범위는 본 발명의 정신과 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변형될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 알 수 있다.
도 1은 전술한 종래 기술의 문제점을 보여주는 반도체 소자의 사진.
도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 금속배선 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 반도체 기판 102 : 하부 금속배선
104 : 제1절연막 106 : 제2절연막
H : 콘택홀 108 : TiN막
110 : 반사 방지막 112 : 감광막 패턴
T : 트렌치 D : 상부 배선 형성 영역
114 : 베리어막 116 : 상부 금속배선
Claims (20)
- 반도체 기판 상에 콘택홀을 구비한 절연막을 형성하는 단계;상기 콘택홀의 저면과 측면을 포함한 절연막 상에 베리어용 TiN막을 형성하는 단계;상기 베리어용 TiN막 상에 반사 방지막을 형성하는 단계;상기 베리어용 TiN막과 절연막의 식각 선택비가 동일한 식각 방식, 또는, 상기 베리어용 TiN막의 식각 선택비가 상기 절연막의 식각 선택비보다 큰 식각 방식으로 상기 반사 방지막, 베리어용 TiN막 및 절연막을 함께 식각하여 상기 콘택홀의 상단부에 트렌치를 형성하는 단계;상기 반사 방지막을 제거하는 단계; 및상기 콘택홀의 저면과 측면에 잔류된 베리어용 TiN막 및 절연막 상에 상기 트렌치 및 콘택홀을 매립하도록 금속막을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 베리어용 TiN막은 PVD(Physical Vapor Deposition), 또는, CVD(Chemical Vapor Deposition) 방식으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 베리어용 TiN막은 20∼100Å의 두께를 갖도록 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 베리어용 TiN막과 절연막의 식각 선택비가 동일한 식각 방식은,상기 베리어용 TiN막의 식각 가스와 상기 절연막의 식각 가스를 1:0.8∼1:1.2의 유량비로 플로우시키면서 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 베리어용 TiN막의 식각 가스는 Cl2 가스를 포함하며, 상기 절연막의 식각 가스는 SF6 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 베리어용 TiN막과 절연막의 식각 선택비가 동일한 식각 방식은,상기 베리어용 TiN막의 식각 가스와 상기 절연막의 식각 가스 및 Ar 가스를 플로우시키면서 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 베리어용 TiN막과 절연막의 식각 선택비가 동일한 식각 방식은, 150∼200W의 RF(Radio Frequency) 파워 및 5∼15W의 DC(Direct Current) 파워 조건으로 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 반사 방지막을 제거하는 단계 후, 그리고, 상기 금속막을 형성하는 단계 전,상기 트렌치 및 콘택홀의 표면을 포함한 절연막 상에 베리어막을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 금속막은 구리막을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
- 반도체 기판 상에 콘택홀을 구비한 절연막을 형성하는 단계;상기 콘택홀의 저면과 측면을 포함한 절연막 상에 베리어용 TaN막을 형성하는 단계;상기 베리어용 TaN막 상에 반사 방지막을 형성하는 단계;상기 베리어용 TaN막과 절연막의 식각 선택비가 동일한 식각 방식, 또는, 상기 베리어용 TaN막의 식각 선택비가 상기 절연막의 식각 선택비보다 큰 식각 방식으로 상기 반사 방지막, 베리어용 TaN막 및 절연막을 함께 식각하여 상기 콘택홀의 상단부에 트렌치를 형성하는 단계;상기 반사 방지막을 제거하는 단계; 및상기 콘택홀의 저면과 측면에 잔류된 베리어용 TaN막 및 절연막 상에 상기 트렌치 및 콘택홀을 매립하도록 금속막을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 베리어용 TaN막은 PVD, 또는, CVD 방식으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 베리어용 TaN막은 20∼100Å의 두께를 갖도록 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
- 삭제
- 제 11 항에 있어서,상기 베리어용 TaN막과 절연막의 식각 선택비가 동일한 식각 방식은,상기 베리어용 TaN막의 식각 가스와 상기 절연막의 식각 가스를 1:0.8∼1:1.2의 유량비로 플로우시키면서 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 베리어용 TaN막의 식각 가스는 Cl2 가스를 포함하며, 상기 절연막의 식각 가스는 SF6 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 베리어용 TaN막과 절연막의 식각 선택비가 동일한 식각 방식은,상기 베리어용 TaN막의 식각 가스와 상기 절연막의 식각 가스 및 Ar 가스를 플로우시키면서 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 베리어용 TaN막과 절연막의 식각 선택비가 동일한 식각 방식은, 150∼200W의 RF 파워 및 5∼15W의 DC 파워 조건으로 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 반사 방지막을 제거하는 단계 후, 그리고, 상기 금속막을 형성하는 단계 전,상기 트렌치 및 콘택홀의 표면을 포함한 절연막 상에 베리어막을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 금속막은 구리막을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
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