KR101063796B1 - 반도체 소자의 다마신 패턴 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 다마신 패턴 형성 방법에 관한 것으로, 하부 배선이 형성된 반도체 기판 상부에 확산 방지막 및 층간 절연막을 형성하는 단계와, 상기 층간 절연막의 소정 영역을 식각하여 비아홀을 형성하는 단계와, 상기 비아홀 사이의 상기 층간 절연막을 식각하여 트렌치를 형성하는 단계와, 산소 플라즈마를 이용하여 상기 층간 절연막 상부에 산화막을 형성하는 단계와, 상기 산화막 및 확산 방지막을 제거하는 단계를 포함함으로써 비아홀과 트렌치의 경계에 생성되는 사이드월 펜스를 산화막을 형성한 후 습식 공정으로 산화막을 제거할 때 산화막과 함께 제거되도록 함으로써 이후 형성되는 구리 배선의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 다마신 패턴 형성 방법이 제시된다.
다마신 패턴, 사이드월 펜스, 산소 플라즈마, 산화막, 습식 제거
Description
도 1(a) 내지 도 1(f)는 본 발명에 따른 반도체 소자의 다마신 패턴 형성 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 소자의 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11 : 반도체 기판 12 : 하부 구리 배선
13 : 확산 방지막 14 : 층간 절연막
15 : 제 1 반사 방지막 16 : 제 1 감광막
17 : 비아홀 18 : 제 2 반사 방지막
19 : 제 2 감광막 20 : 트렌치
21 : 사이드월 펜스 22 : 산화막
본 발명은 반도체 소자의 다마신 패턴 형성 방법에 관한 것으로, 특히 비아홀을 형성한 후 트렌치를 형성할 때 비아홀과 트렌치의 경계에 생성되는 사이드월 펜스(sidewall fense)등의 불순물을 제거하여 구리 배선의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 듀얼 다마신 패턴 형성 방법에 관한 것이다.
반도체 산업의 최대 목표는 반도체 소자의 고집적화와 고성능화를 실현하는데 있다고 해도 과언이 아니다. 이러한 반도체 산업의 목표를 실현하기 위한 방법으로 층간 절연막의 유전 상수를 낮추는 방법과 금속 배선의 저항을 감소시키는 방법 등에 대한 연구가 활발하게 진행중이다.
금속 배선의 저항을 감소시켜 반도체 소자의 고집적화와 고성능화를 실현하기 위해서 최근 가장 큰 관심사로 떠오르는 공정이 구리 배선 공정이다. 그러나, 구리 배선은 일반적인 식각 물질로는 거의 식각되지 않기 때문에 층간 절연막을 먼저 식각한 후 구리를 매립하고 평탄화시키는 다마신(damascene) 공정을 이용하고 있다. 이러한 다마신 공정을 이용하여 구리 배선을 형성하는 방법은 매우 다양한데, 구리 배선과 하부 구조가 연결되는 플러그 부분인 홀을 먼저 형성한 후 구리 배선이 형성될 부분인 트렌치를 형성하는 방법과 1차 식각으로 홀이 형성될 부분을 소정 깊이로 패터닝한 후 2차 식각 공정으로 트렌치와 홀을 동시에 형성하는 자기 정렬 방법등이 있다. 그런데, 이러한 방법들은 노광 장비의 적층 능력(overlay)에 매우 문제가 많아서 0.13㎛ 이하의 고성능 반도체 소자의 금속 배선 공정에서 많은 문제점을 야기시킬 수 있게 된다. 즉, 0.13㎛ 이하의 고성능 반도체 소자의 금속 배선 공정에서 적층 능력의 한계, 트렌치를 건식 식각 공정으로 형성한 후 비아홀을 형성할 경우 트렌치의 에지 부분에서의 난반사등으로 인하여 비아 마스크의 형성이 매우 어려워지는 등 무수히 많은 문제점을 야기시킬 수 있게 된다.
또한, 층간 절연막으로 유전 상수가 낮은 물질을 이용하면서 식각 정지막등의 사용이 제약받게 되는데, 식각 정지막을 사용하지 않은 상태에서 홀 및 트렌치를 형성하기 위해 건식 식각 공정을 실시하면 건식 식각의 고유 현상인 패시트(facet) 현상으로 인해 홀의 꼭대기 부분이 무너져 수직 프로파일을 가질 수 없게 된다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 홀을 먼저 형성하는 방법을 이용하지만, 이 방법은 트렌치를 건식 식각 공정으로 형성할 때 홀에 채워져 있는 유기 반사 방지막으로 인해 홀과 트렌치의 경계에 스페이서가 형성되는 것처럼 뾰족하게 남아있게 되는 사이드월 펜스(sidewall fence)를 발생시킬 수 있다. 사이드월 펜스는 후속 공정인 RF 스퍼터등의 공정을 실시하여도 잘 제거되지 않아 구리 배선 형성시 확산 방지막, 시드층 및 구리 도금 공정에 불안정한 요인을 발생시킨다. 이는 일렉트로 마이그레이션(electro migration), 스트레스 마이그레이션(stress migration) 등의 구리 배선에 대한 신뢰성을 저하시키는 요인이 된다. 또한, 이와 같은 사이드월 펜스를 제거하기 위해서는 산소 가스등을 첨가하면 되지만, 트렌치를 형성하기 위한 감광막의 측벽 또한 손실되어 트렌치의 상부가 손상받게 되고 심하면 인접 트렌치의 상부 부분과의 브리지도 유발될 수 있다.
본 발명의 목적은 비아홀을 형성한 후 트렌치를 형성하는 공정에서 발생되는 사이드월 펜스등을 제거할 수 있는 반도체 소자의 다마신 패턴 형성 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 비아홀 및 트렌치를 형성한 후 산소 플라즈마를 이용하여 층간 절연막의 표면을 산화시킨 후 산화막을 제거하여 사이드월 펜스를 제거할 수 있는 반도체 소자의 다마신 패턴 형성 방법을 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 다마신 패턴 형성 방법은 하부 배선이 형성된 반도체 기판 상부에 확산 방지막을 형성하는 단계와,상기 확산방지막 위에 층간 절연막을 형성하는 단계와, 상기 층간 절연막의 소정 영역을 식각하여 상기 확산방지막이 노출되도록 복수의 비아홀을 형성하는 단계와, 상기 비아홀 사이의 상기 층간 절연막을 식각하여 트렌치를 형성하는 단계와, 산소 플라즈마를 비등방적으로 작용하여 상기 층간 절연막 상부 영역을 산화하여 층간 절연막 상부에 산화막을 형성하는 단계와, 상기 산화막 및 확산 방지막을 제거하는 단계를 포함한다
상기 확산 방지막은 실리콘에 탄소 또는 질소가 결합된 막을 이용하여 형성한다.
상기 층간 절연막은 OSG(Organo Silicate Glass)막을 이용하여 형성한다.
상기 층간 절연막의 중간에 식각 정지막을 더 형성한다.
상기 식각 정지막은 탄소 또는 질소가 결합된 막을 이용하여 형성한다.
상기 산소 플라즈마는 산소 이온의 비등방성 특성을 유지하기 위하여 바이어 스 파워 및 자기장을 조절하여 인가한다.
상기 산화막 및 상기 확산 방지막은 불소 함유 습식 식각 용액을 이용하여 제거한다.
상기 습식 식각 용액은 HF 및 BOE를 포함한다.
상기 트렌치를 형성할 때 상기 비아홀과 상기 트렌치의 경계를 이루는 상기 층간 절연막에 사이드월 펜스등의 잔류물이 생성되고, 상기 잔류물은 상기 산화막 제거 공정에 의해 제거된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1(a) 내지 도 1(f)는 본 발명에 따른 반도체 소자의 다마신 패턴 형성 방법을 설명하기위해 도시한 소자의 단면도이다.
도 1(a)를 참조하면, 하부 구리 배선(12)이 형성된 반도체 기판(11) 상부에 확산 방지막(13)을 300∼1000Å의 두께로 형성한다. 확산 방지막(13)은 실리콘에 탄소 또는 질소가 결합된 막을 이용한다. 전체 구조 상부에 층간 절연막(14)을 형성하는데, 층간 절연막(14)은 SiOC(CH3)의 성분으로 구성되어 있는 OSG(Organo Silicate Glass)막등을 이용하여 6000∼18000Å 정도의 두께로 형성한다. 즉, 층간 절연막(14)은 불소를 함유하는 HF 및 BOE등의 습식 식각 용액에 대한 내식성을 가질 수 있도록 탄소가 포함된 결합 물질을 적용한다. 한편, 층간 절연막(14)의 중간 에 식각 정지막을 더 형성할 수 있는데, 식각 정지막은 확산 방지막(13)으로 이용되는 막을 이용할 수 있다. 그리고, 층간 절연막(14) 상부에 제 1 반사 방지막(15) 및 제 1 감광막(16)을 형성한 후 비아홀 마스크를 이용한 노광 및 현상 공정으로 제 1 감광막(16)을 패터닝한다. 한편, 제 1 반사 방지막(15)은 실리콘이 함유된 막을 이용하여 형성한다.
도 1(b)를 참조하면, 패터닝된 제 1 감광막(16)을 마스크로 제 1 반사방지막(15) 및 층간 절연막(14)을 식각한 후 식각된 제 1 반사방지막(15)을 제거하여 비아홀(17)을 형성한다. 이때, 식각 공정은 CxHyFz(1≤x, y, z≤8) 가스를 주식각 가스로 이용하고, 산소, 질소, 아르곤, 헬륨등의 가스를 첨가하여 실시하는데, CxHyFz(1≤x, y, z≤8)의 y와 z에 대한 x의 비율을 증가시키면 확산 방지막(13)등에 대한 식각 선택비를 높일 수 있게 된다. 다른 방법으로, 산소나 질소등의 첨가 비율을 감소시키면 확산 방지막(13)등에 대한 식각 선택비를 높일 수 있게 된다. 이와 반대로, 확산 방지막(13)에 대한 식각 선택비를 줄이고자 할 때는 y와 z에 대한 x의 비율을 감소시키거나 산소, 질소등의 첨가 비율을 증가시키면 된다.
도 1(c)를 참조하면, 전체 구조 상부에 제 2 반사 방지막(18) 및 제 2 감광막(19)을 형성한 후 트렌치 마스크를 이용한 노광 및 현상 공정으로 제 2 감광막(19)을 패터닝한다. 그런데, 제 2 반사 방지막(18)에 의해 비아홀(17)이 매립된다.
도 1(d)를 참조하면, 산소, 질소, 헬륨등을 주식각 가스로 이용한 건식 식각 공정으로 제 2 반사 방지막(18) 및 층간 절연막(14)을 식각하여 트렌치(20)를 형성 한다. 트렌치(20)를 형성하기 위한 식각 공정은 비아홀(17)을 형성하기 위한 식각 공정과 유사한 방법을 이용한다. 그런데, 트렌치(20)를 형성하기 위한 식각 공정에서 비아홀(17)과 트렌치(20)의 경계에는 원하지 않는 사이드월 펜스(21)등의 잔류물이 형성된다.
도 1(e)를 참조하면, 산소 플라즈마를 이용한 RIE(Reactive Ion Etching) 공정에 의해 제 2 감광막(19) 및 제 2 반사 방지막(18)을 일정 부분 제거하는 동시에 층간 절연막(14) 상부에 산화막(22)을 형성한다. 이때, 산소 플라즈마는 비등방성 특성을 유지할 수 있도록 바이어스 파워 및 자기장을 조절하여 인가하며, 산소 이온의 등방성 특성을 이용하여 웨이퍼에 수직한 방향, 즉 층간절연막(14)의 두께방향으로 층간 절연막(14) 상부의 일정 영역이 산화되어 상기 층간절연막(14) 상부에 산화막(22)이 형성된다.
도 1(f)를 참조하면, 불소를 함유하는 HF 또는 BOE 등과 같은 습식 식각 용액을 이용하여 산화막(22)을 제거한다. 이때, HF 또는 BOE등에 내식성을 갖는 OSG등으로 구성된 층간 절연막(14)은 식각되지 않으며, 사이드월 펜스(21)는 산화막(22)과 함께 제거되고, 확산 방지막(13)도 제거된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 비아홀을 형성한 후 트렌치를 형성할 때 비아홀과 트렌치의 경계에 생성되는 사이드월 펜스를 산소 플라즈마를 이용하면서 물리적인 산화 효과를 유발하여 산화막을 형성한 후 습식 공정으로 산화막과 함께 제거되도록 함으로써 이후 형성되는 구리 배선의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
Claims (9)
- 하부 배선이 형성된 반도체 기판 상부에 확산 방지막을 형성하는 단계;상기 확산방지막 위에 층간 절연막을 형성하는 단계;상기 층간 절연막의 소정 영역을 식각하여 상기 확산방지막이 노출되도록 복수의 비아홀을 형성하는 단계;상기 비아홀 사이의 상기 층간 절연막을 식각하여 트렌치를 형성하는 단계;산소 플라즈마를 비등방적으로 작용시켜 상기 층간 절연막 상부 영역을 산화하여 층간 절연막 상부에 산화막을 형성하는 단계; 및상기 산화막 및 확산 방지막을 제거하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 다마신 패턴 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 확산 방지막은 실리콘에 탄소 또는 질소가 결합된 막인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 다마신 패턴 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 층간 절연막은 OSG(Organo Silicate Glass)막인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 다마신 패턴 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 층간 절연막의 중간에 식각 정지막을 더 형성하는 반도체 소자의 다마신 패턴 형성 방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 식각 정지막은 실리콘에 탄소 또는 질소가 결합된 막인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 다마신 패턴 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 산소 플라즈마는 산소 이온의 비등방성 특성을 유지하기 위하여 바이어스 파워 및 자기장을 조절하여 인가하는 반도체 소자의 다마신 패턴 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 산화막 및 상기 확산 방지막은 불소 함유 습식 식각 용액을 이용하여 제거하는 반도체 소자의 다마신 패턴 형성 방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 습식 식각 용액은 HF 또는 BOE인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 다마신 패턴 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 트렌치를 형성할 때 상기 비아홀과 상기 트렌치의 경계를 이루는 상기 층간 절연막에 사이드월 펜스의 잔류물이 생성되고, 상기 잔류물은 상기 산화막 제거 공정에 의해 제거되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 다마신 패턴 형성 방법.
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