KR101168938B1 - 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법 - Google Patents

반도체 소자의 금속 배선 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것으로, 가용성 반사 방지막을 사용하여 매립 특성을 향상시켜 반사 방지막이 균일하게 증착되지 않는 문제를 해결하고, 감광막 패턴 형성이 용이하게 하며, 금속 배선용 트렌치 형성 시 공정 마진을 극대화 하여 공정 비용 및 시간을 절약할 수 있다. 또한, 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법의 안정성, 신뢰성 및 생산 수율을 향상시키는 기술을 나타낸다.

Description

반도체 소자의 금속 배선 형성 방법 {METHOD FOR FORMING METAL LINE OF SEMICONDUCTOR DEVICE}
도 1a 및 도 1b는 종래의 기술에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 도시한 단면도들.
도 2a 및 도 2b는 종래의 기술에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 도시한 단면도들.
도 3a 및 도 3b는 종래의 기술에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 도시한 단면도들.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 도시한 단면도들.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10, 100 : 반도체 기판 20, 120 : 절연막
30, 130 : 비아홀 40, 140 : 반사 방지막
50 : 감광막 125 : 제 1 감광막 패턴
150 : 제 2 감광막 패턴 160 : 금속 배선용 트렌치
본 발명은 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것으로, 가용성 반사 방지막을 사용하여 매립 특성을 향상시켜 반사 방지막이 균일하게 증착되지 않는 문제를 해결하고, 감광막 패턴 형성이 용이하게 하며, 금속 배선용 트렌치 형성 시 공정 마진을 극대화 하여 공정 비용 및 시간을 절약할 수 있다. 또한, 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법의 안정성, 신뢰성 및 생산 수율을 향상시키는 기술을 나타낸다.
반도체 소자가 미세화 되면서 금속 배선의 폭도 감소하게 되었다. 이에 따라, 금속 배선을 연결하는 비아 홀(Via hole)도 미세화 되었다. 종래에는 텅스턴(W) CVD 방법을 이용하여 비아 홀 및 금속 배선을 형성하였으나, 텅스턴을 이용한 금속 배선은 높은 저항으로 인해 저전력, 고속소자를 구현하는 데 한계를 보였기 때문에 미세화 된 비아 홀을 매립하기 위한 금속 배선 형성 공정으로 텅스턴 CVD 방법이 부적합하게 되었다. 이에 대한 대안으로, Al 배선을 이용한 금속 배선 형성 방법이 개발되었으나, 금속 배선 간에 발생하는 기생 캐패시턴스가 문제점으로 대두되면서 Al 배선 대신 Cu 배선 공정이 채택되었다. 그러나, Cu를 이용한 금속 배선 형성 공정의 경우 Cu가 식각 특성에 대하여 매우 열악하다는 문제가 있어 다마신 패턴(Damascene Pattern)을 형성하여 비아 콘택 및 Cu 배선을 한 번에 형성하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 공정이 개발 되었다.
다마신 공정은 소정의 하부 구조를 구비한 반도체 기판 상에 금속 배선이 형성될 높이까지 비아 홀을 포함하는 절연막을 형성한 후, 비아 홀 상부에 금속 배선 용 트렌치를 형성한 다음 이를 매립하는 금속층을 형성하여 금속 배선을 완성하는 공정이다.
이와 관련하여, 다마신 패턴을 형성하는 노광 및 현상 공정에 있어서 KrF(248nm) 광원을 이용한 DUV(Deep Ultraviolet) 공정의 경우 0.13㎛ 패턴까지 형성 가능하나, 최근에 연구가 되고 있는 0.1㎛의 반도체 소자 공정에는 부적합한 면이 있다. 따라서, 노광 및 현상 공정에서 사용하는 광원을 ArF(193nm)와 같은 짧은 파장의 광원으로 바꿔가고 있다. 그러나, 짧은 파장의 광원은 높은 투과율을 갖고 있어 하나의 절연막에 두 번의 노광 및 현상 공정을 수행하는 다마신 공정에 있어서는, 그 패턴이 제대로 형성되지 못하는 문제가 발생하였다.
이를 방지하기 위하여, 비아 홀이 구비된 절연막에 반사 방지막을 형성한 후 금속 배선용 트렌치를 형성함으로써 하부의 비아 홀에 영향을 주지 않고 다마신 패턴을 형성하는 방법이 사용되었다. 이러한 과정에서, 비아 홀의 밀도 및 크기에 따라 반사 방지막이 불균일하게 형성되는 문제가 나타나게 되었다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 기술에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 단면도들이다.
도 1a을 참조하면, 반도체 기판(10) 상에 비아 홀(30)을 구비하는 절연막(20)을 형성한 후 일반적인 반사 방지막(40) 형성 공정으로 비아 홀(30)을 매립한다. 이때, 반사 방지막(40)은 매립 특성이 떨어져서 비아 홀(30) 내에 모두 채워지지 못할 뿐만 아니라 비아 홀(30)의 밀도가 높은 영역에는 거의 형성되지 못한 것을 볼 수 있다.
도 1b를 참조하면, 도 1a의 구조물에 감광막(50)을 형성한다. 이때, 감광막(50)은 반사 방지막(40) 상부에 형성되므로, 반사 방지막(40)이 형성된 부분과 그렇지 못한 부분에 대하여 높이 차가 발생하게 된다. 이러한 높이 차는 금속 배선용 트렌치 형성을 위한 감광막(50) 패턴을 노광 및 식각하는 공정에 영향을 주게 되고, 정상적인 다마신 패턴을 형성하지 못하게 되는 원인이 된다.
도 2a 및 도 2b는 종래의 기술에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 도시한 단면도들이다.
도 2a는 반사 방지막(40)의 매립 특성을 향상시킨 공정(Full fill Process)을 진행한 경우를 도시한 것이다. 이 경우 비아 홀(30)에 전체적으로 반사 방지막(40)이 매립되기는 하나, 비아 홀(30)의 밀도차이에 의한 반사 방지막(40)의 높이차이가 여전히 존재하게 된다.
도 2b는 도 2a의 구조물에 감광막(50)을 형성한 것을 도시한 것이다. 감광막(50) 하부의 불균일하게 형성된 반사 방지막(40)의 영향을 받아 비아 홀(30)이 밀집한 영역에 감광막(50)이 더 낮게 형성된 것을 볼 수 있다. 따라서, 금속 배선용 트렌치 형성을 위한 감광막(50) 패턴을 형성하는데 문제가 발생하게 된다.
도 3a 및 도 3b는 종래의 기술에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 도시한 단면도들이다.
도 3a는 반사 방지막(40)의 매립 특성을 더 향상시킨 공정을 진행한 경우로, 반사 방지막(40)이 절연막(20) 상부에 두껍게 형성된 것을 볼 수 있다. 이때, 비아 홀(30)의 밀도차이에 의한 영향을 받지 않을 만큼 충분히 두껍게 형성되어야 하는 데, 이를 위해서는 공정 시간이 증가한다는 문제가 발생한다.
도 3b는 도 3a의 구조물에 감광막(50)을 형성한 것으로, 금속 배선용 트렌치 형성을 위한 마스크 패턴을 형성하는데 문제가 발생하지 않으나, 후속의 식각 공정에서 두꺼운 반사 방지막(40)을 식각해야 하므로 생산 공정의 효율이 떨어져 수율이 낮아지는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 다마신 공정을 이용한 금속 배선 형성 방법에 있어서, 가용성 반사 방지막을 사용하여 매립 특성을 향상시켜 반사 방지막이 균일하게 증착되지 않는 문제를 해결하고, 감광막 패턴 형성이 용이하게 하며, 금속 배선용 트렌치 형성 시 공정 마진을 극대화 하여 공정 비용 및 시간을 절약할 수 있다. 또한, 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법의 안정성, 신뢰성 및 생산 수율을 향상시키는 반도체 소자의 금속배선 형성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법은
하부 구조가 형성된 반도체 기판 상부에 절연막을 형성하는 단계와,
상기 절연막 상부에 비아홀 영역을 노출시키는 제 1 감광막 패턴을 형성하는 단계와,
상기 제 1 감광막 패턴을 마스크로 상기 절연막을 식각하여 비아홀을 형성하는 단계와,
상기 비아홀을 포함한 전체 표면 상부에 현상액에 용해되는 반사 방지막을 형성하는 단계와,
상기 반사 방지막의 표면을 현상하여 제거하는 단계와,
상기 반사 방지막 상부에 금속 배선 영역을 노출시키는 제 2 감광막 패턴을 형성하는 단계와,
상기 제 2 감광막 패턴을 마스크로 금속 배선 트렌치를 형성하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 반도체 소자의 형성 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 도시한 단면도들이다.
도 4a를 참조하면, 소정의 하부 구조를 구비하는 반도체 기판(100) 상에 절연막(120)을 형성하고, 그 상부에 비아 홀 형성을 위한 제 1 감광막(125) 패턴을 형성한다. 이때, 절연막(120)은 IMD(Inter Metal Dielectrics) 이며 저유전물질로 후속의 금속 배선이 형성될 높이까지 형성하는 것이 바람직하다.
도 4b를 참조하면, 제 1 감광막(125) 패턴을 식각 마스크로 절연막(120)을 식각하여 비아 홀(130)을 형성한다.
도 4c를 참조하면, 비아 홀(130)을 포함한 전체 표면 상부에 현상액에 용해되는 반사 방지막(140)을 형성한다. 이때, 반사 방지막(140)은 가용성 물질을 사용하며, 큐어링 공정은 상기 가용성 물질의 최적화된 온도에서 수행하는 것이 바람직 하다.
이때, 반사 방지막(140)은 절연막(120) 상부에서부터 3000 ~ 10000Å의 두께가 되도록 형성 하는 것이 바람직하다.
도 4d를 참조하면, 반사 방지막(140)의 두께를 감소시키고 평탄화 한다. 여기서, 반사 방지막(140)은 절연막(120) 상부에서부터 100 ~ 2000Å 두께만 남도록 한다.
도 4e를 참조하면, 반사 방지막(140) 상부에 금속 배선용 트렌치를 형성하기 위한 제 2 감광막(150) 패턴을 형성한다. 제 2 감광막 패턴(150) 형성후에 노광 공정 및 현상 공정을 수행하여 반사 방지막(140) 및 제 2 감광막 패턴(150)을 제거하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
도 4f를 참조하면, 제 2 감광막(150) 패턴을 식각 마스크로 반사 방지막(140) 및 소정 깊이의 절연막(120)을 식각한 후 감광막(150) 패턴 및 반사 방지막(140)을 제거하여 다마신 패턴을 완성한다. 이때, 평탄화된 반사 방지막(140)에 의해서 감광막(150)도 하부의 비아 홀(130) 밀도에 관계없이 균일하게 형성되고, 금속 배선용 트렌치(160)를 위한 식각 공정에서도 반사 방지막(140)의 두께가 감소되어 있으므로 용이하게 다마신 패턴 형성을 위한 공정을 진행할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 다마신 공정을 이용한 금속 배선 형성 방법에 있어서, 가용성 반사 방지막을 사용하여 매립 특성을 향상시켜 반사 방지막이 균일하게 증착되지 않는 문제를 해결하고, 감광막 패턴 형성이 용이하게 하며, 금속 배선용 트렌치 형성 시 공정 마진을 극대화 하여 공정 비용 및 시간을 절약할 수 있다. 또한, 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법의 안정성, 신뢰성 및 생산 수율을 향상시키는 효과가 있다.
아울러 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 하부 구조가 형성된 반도체 기판 상부에 절연막을 형성하는 단계;
    상기 절연막 상부에 비아홀 영역을 노출시키는 제 1 감광막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 제 1 감광막 패턴을 마스크로 상기 절연막을 식각하여 비아홀을 형성하는 단계;
    상기 제1 감광막 패턴을 제거한 후, 상기 비아홀을 포함한 상기 절연막 상부에 현상액에 용해되는 가용성 물질로 반사 방지막을 형성하는 단계;
    상기 절연막 및 비아홀 상부에 형성된 상기 반사 방지막의 표면을 현상하여 상기 반사 방지막의 두께를 줄이는 단계;
    상기 반사 방지막 상부에 금속 배선 영역을 노출시키는 제 2 감광막 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 제 2 감광막 패턴을 마스크로 상기 반사 방지막과 상기 절연막을 식각한 후 상기 제2 감광막 패턴 및 상기 반사 방지막을 제거하여 상기 절연막 내에 금속 배선 트렌치를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가용성 물질로 형성된 반사 방지막을 큐어링하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사 방지막은 상기 절연막 상부에 3000 ~ 10000Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사 방지막의 두께를 줄이는 단계는 상기 절연막 상부에서부터 100 ~ 2000Å 두께의 반사 방지막만 남기는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 감광막 패턴 형성후에 노광 공정 및 현상 공정을 수행하여 상기 반사 방지막 및 제 2 감광막 패턴을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
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