KR19990004880A - Spin-on glass film curing method of semiconductor device using electron beam - Google Patents
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Abstract
1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야1. TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
반도체 장치 제조 방법Semiconductor device manufacturing method
2. 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제2. Technical problem to be solved by the invention
보잉 현상을 유발하지 않아 반도체 장치의 금속 배선을 효과적으로 형성 할 수 있는 전자빔을 이용한 반도체 장치의 스핀온글래스막 큐어링 방법을 제공한다.The present invention provides a method for curing a spin-on glass film of a semiconductor device using an electron beam, which can effectively form a metal wiring of the semiconductor device without causing a bowing phenomenon.
3. 발명의 해결 방법의 요지3. Summary of the Solution of the Invention
전자빔을 이용하여 스핀온글래스막의 큐어링을 실시한다.Curing of the spin-on glass film is carried out using an electron beam.
4. 발명의 중요한 용도4. Important uses of the invention
반도체 장치 제조 방법Semiconductor device manufacturing method
Description
본 발명은 반도체 장치 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 전자빔을 이용한 반도체 장치의 스핀온글래스(Spin-On-Glass)막 큐어링(curing) 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method for curing a spin-on-glass film of a semiconductor device using an electron beam.
반도체 장치의 고집적화에 따라 금속 배선이 다층화 되는 추세이며, 종래에는 금속층간의 절연과 평탄화를 위해 금속층 사이에 플라즈마 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; 이하 PECVD)으로 산화막을 증착하였다. 그러나 PECVD 방법으로 형성되는 산화막으로는 상부 공정을 위한 평탄화가 충분하게 이루어지지 못하여 금속 배선간의 간극을 메우기 위해 스핀온글래스막을 사용하고 있다.As the semiconductor devices are highly integrated, metal wirings tend to be multilayered. In the related art, an oxide film is deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) between metal layers for insulation and planarization between metal layers. However, as the oxide film formed by the PECVD method, the planarization for the upper process is not sufficiently performed, and a spin-on glass film is used to fill the gap between the metal wirings.
스핀온글래스막은 액체 형태로 주로 스핀(spin) 도포 방법에 의해 도포되며 보이드(void) 없이 좁은 공간을 채우는 것이 가능하여 금속막덥힘(step coverage) 특성이 양호하고 공정이 간단하다. 스핀온글래스는 실락산(siloxane) 또는 실리케이트(silicate)가 알코올이 포함된 용매에 섞인 것으로, 차후의 베이크(bake)나 큐어링(curing) 공정에서 탈수(dehydration), 응결(condensation), 중합(polymerization) 등에 의해 실란올(silanol) 기(radical) 들이 고체화되어 금속 배선간의 간극을 메운다.The spin-on glass film is applied in a liquid form mainly by a spin coating method, and it is possible to fill a narrow space without voids so that the step coverage property is good and the process is simple. Spin-on glass is a mixture of siloxane or silicate in a solvent containing alcohol, and dehydration, condensation, and polymerization in a subsequent bake or curing process. By polymerization, silanol radicals solidify the gap and fill the gap between metal lines.
종래의 로(爐, furnace)를 이용하는 스핀온글래스막 큐어링 방법은 스핀온글래스막 내의 수분이나 용제(solvent) 등은 제거할 수 있지만 스핀온글래스막 내의 자유부피(free volume)는 제거할 수 없기 때문에 보잉(bowing) 현상을 유발하게 된다.Conventional spin-on glass curing method using a furnace can remove moisture, solvent, etc. in the spin-on glass film, but free volume in the spin-on glass film can be removed. Lack of bowing.
스핀온글래스를 이용한 층간절연막 형성 방법에는 에치백(etch back)과 비에치백(non etch back) 방식이 있다. 에치백 방식은 비아홀 측벽에 스핀온글래스막이 드러나지 않는 장점이 있으나 공정이 복잡하고 공정 단가가 비싼 단점이 있는 반면, 비에치백 방식은 공정이 간단하고 공정 단가가 저렴하지만 비아홀 측벽에 스핀온글래스막이 노출되어 보잉 현상에 의한 비아홀의 결함이 발생할 가능성이 있다.There are two methods of forming an interlayer dielectric layer using spin-on glass, an etch back method and a non-etch back method. The etch back method has the advantage that the spin-on glass film is not exposed on the sidewalls of the via hole, but the disadvantage is that the process is complicated and the process cost is high. There is a possibility of defects in via holes due to exposure to bowing.
다음의 도1a 내지 도1c는 스핀온글래스막을 절연막으로 사용하는 종래의 비아홀 형성 공정 단면도이다.1A to 1C are cross-sectional views of a conventional via hole forming process using a spin on glass film as an insulating film.
먼저, 도1a에 도시한 바와 같이 하부 금속층(11)을 포함한 소정의 하부층이 형성된 반도체 기판(10) 상에 제1 층간절연막(12) 및 스핀온글래스막(13)을 형성한 후 노(furnace)를 이용하여 상기 스핀온글래스막(13) 큐어링을 실시하고 제2 층간절연막(14)을 형성한다.First, as shown in FIG. 1A, a first interlayer insulating film 12 and a spin-on glass film 13 are formed on a semiconductor substrate 10 on which a predetermined lower layer including the lower metal layer 11 is formed. ), The spin-on glass film 13 is cured to form a second interlayer insulating film 14.
다음으로, 도1b에 도시한 바와 같이 상기 제2 층간절연막(14) 상에 비아홀을 형성하기 위한 포토레지스트 패턴(15)을 형성하고, 상기 포토레지스트 패턴(15)을 식각 방지막으로 상기 제2 층간절연막(14), 스핀온글래스막(13) 및 제1 층간절연막(12)을 식각하여 비아홀을 형성한다.Next, as shown in FIG. 1B, a photoresist pattern 15 for forming a via hole is formed on the second interlayer insulating layer 14, and the photoresist pattern 15 is formed as an etch stop layer. The insulating film 14, the spin-on glass film 13, and the first interlayer insulating film 12 are etched to form via holes.
이어서, 도 1c에 도시한 바와 같이 O2플라즈마를 이용하여 상기 포토레지스트 패턴(14)을 제거하는데 상기 포토레지스트 패턴 제거 과정에서 O2플라즈마 손상에 의하여 비아홀의 보잉 현상이 발생한다.Subsequently, as illustrated in FIG. 1C, the photoresist pattern 14 is removed by using an O 2 plasma. In the photoresist pattern removal process, the boring phenomenon of the via hole occurs due to the O 2 plasma damage.
도1d는 상기 비아홀의 단면을 나타내는 SEM(Scanning Electro Microscopy) 사진이고, 도1e는 상기 노를 이용한 스핀온글래스막 큐어링 방법으로 형성된 비아홀 내에 금속막(16)을 증착한 결과를 나타내는 SEM 사진으로서, 보잉 현상은 비아홀 내부에 생기는 턱진 부분 바로 아래(A)에서 주로 발생하게 되어 이 부분의 금속막덥힘이 가장 취약해져 심한 경우는 금속막의 단락이 발생한다. 보잉 현상은 비아홀을 형성하기 위한 식각 공정 후 포토레지스트 패턴 제거를 위해 사용되는 O2플라즈마와 스핀온글래스 내의 CH3가 다음과 같은 반응을 일으켜서 발생하게 된다.FIG. 1D is a SEM (Scanning Electro Microscopy) photograph showing the cross section of the via hole, and FIG. However, the bowing phenomenon occurs mainly under the jaw portion (A) that occurs inside the via hole, so that the metal film is most vulnerable, and in some cases, the metal film is short-circuited. The bowing phenomenon is caused by the following reaction between the O 2 plasma used to remove the photoresist pattern after the etching process for forming the via hole and the CH 3 in the spin-on glass.
스핀온글래스 내에서 자유부피(free volume)를 많이 갖고 있는 CH3는 상기와 같은 반응의 결과로 스핀온글래스막 내에서 제거되어지면서 부피 축소를 유발하게 되어 결과적으로 비아홀 측벽에 드러나 있는 스핀온글래스막 부분에서 보잉 현상을 유발하게 되는 문제점이 있다.CH 3 , which has a lot of free volume in the spin-on glass, is removed in the spin-on-glass film as a result of the above reaction and causes volume reduction, resulting in spin-on glass exposed on the sidewall of the via hole. There is a problem that causes the bowing phenomenon in the film portion.
비아홀 측벽을 이루는 스핀온글래스막 내의 보잉 현상 발생을 방지하여 비아홀 내에 형성되는 금속막의 단락으로 인한 반도체 소자의 장치의 신뢰성 저하를 막는 전자빔을 이용한 반도체 장치의 스핀온글래스막 큐어링 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Provided is a method for curing a spin-on-glass film of a semiconductor device using an electron beam which prevents a bowing phenomenon occurring in the spin-on-glass film forming the sidewalls of the via hole, thereby preventing the reliability of the device of the semiconductor device due to a short circuit of the metal film formed in the via hole. There is a purpose.
도1a 내지 도1c는 종래 기술에 따른 비아홀 형성 공정 단면도.1A to 1C are cross-sectional views of a via hole forming process according to the prior art.
도1d 내지 도1e는 종래 기술에 따라 형성된 비아홀 단면의 SEM 사진.1D-1E are SEM photographs of via hole cross sections formed according to the prior art.
도2a 내지 도2b는 본 발명의 일실시예에 따라 형성된 비아홀 단면의 SEM 사진.Figures 2a to 2b are SEM pictures of the via hole cross-section formed in accordance with an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 설명* Description of the main parts of the drawing
10: 반도체 기판 11, 16, 20, 24: 금속층10: semiconductor substrate 11, 16, 20, 24: metal layer
12, 14, 21, 23: 층간절연막 13, 22: 스핀온글래스막12, 14, 21, 23: interlayer insulating film 13, 22: spin-on glass film
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전자빔을 이용한 반도체 장치의 스핀온글래스막 큐어링 방법에 있어서, 소정의 하부층이 형성된 반도체 기판 상에 제1 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 제1 층간절연막 상에 제1 스핀온글래스막을 도포하는 단계; 상기 소정의 하부층이 손상되지 않는 가속 전압 및 도즈 조건으로 상기 제1 스핀온글래스막을 전자빔으로 제1 큐어링을 실시하는 단계; 상기 제1 스핀온글래스막 상에 제2 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 제2 층간절연막, 상기 제1 스핀온글래스막, 상기 제1 층간절연막을 선택적으로 식각하여 제1 비아홀을 형성하는 단계; 상기 제1 비아홀 상에 금속막을 증착하고 패터닝하는 단계; 상기 전체 구조상에 제3 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 제3 층간절연막 상에 제2 스핀온글래스막을 도포하는 단계; 상기 제2 스핀온글래스막을 전자빔으로 제2 큐어링을 실시하되, 상기 제2 큐어링은 상기 제1 큐어링보다 높은 가속 전압 및 적은 도즈 조건으로 전자빔을 가속하는 단계; 및 상기 제2 스핀온글래스막 상에 제4 층간절연막을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method for curing a spin-on-glass film of a semiconductor device using an electron beam, the method comprising: forming a first interlayer insulating film on a semiconductor substrate on which a predetermined lower layer is formed; Applying a first spin-on glass film on the first interlayer insulating film; Performing a first curing of the first spin-on-glass film with an electron beam under an acceleration voltage and a dose condition such that the predetermined lower layer is not damaged; Forming a second interlayer insulating film on the first spin-on glass film; Selectively etching the second interlayer insulating layer, the first spin-on glass layer, and the first interlayer insulating layer to form a first via hole; Depositing and patterning a metal film on the first via hole; Forming a third interlayer insulating film on the entire structure; Coating a second spin-on glass film on the third interlayer insulating film; Performing a second curing on the second spin-on-glass film with an electron beam, wherein the second curing comprises accelerating the electron beam with a higher acceleration voltage and less dose conditions than the first curing; And forming a fourth interlayer insulating film on the second spin-on glass film.
본 발명에서는 스핀온글래스막 큐어링을 전자-빔(electron-beam)을 이용하여 실시함으로써 비아홀의 스핀온글래스막에서 나타나는 보잉 현상을 근본적으로 해결하는 방법이다.In the present invention, the spin-on glass film curing is performed using an electron-beam to solve the boeing phenomenon occurring in the spin-on glass film of the via hole.
본 발명의 일실시예에 따른 스핀온글래스막을 절연막으로 사용하는 비아홀의 형성 방법을 설명하면 다음과 같다.A method of forming a via hole using a spin on glass film as an insulating film according to an embodiment of the present invention is as follows.
소정의 하부층이 형성된 반도체 기판 상에 제1 층간절연막 및 스핀온글래스막을 도포한 후 전자빔으로 스핀온글래스막 큐어링을 실시하고 제2 층간절연막을 형성한다. 다음으로, 상기 제2 층간절연막 상에 비아홀을 형성하기 위한 포토레지스트 패턴을 형성하고, 포토레지스트 패턴을 식각 방지막으로 제2 층간절연막, 스핀온글래스막 및 제1 층간절연막을 식각하여 비아홀을 형성한다. 이어서, O2플라즈마를 이용하여 포토레지스트 패턴을 제거한다.After applying a first interlayer insulating film and a spin-on glass film on a semiconductor substrate on which a predetermined lower layer is formed, spin-on-glass film curing is performed with an electron beam to form a second interlayer insulating film. Next, a photoresist pattern for forming a via hole is formed on the second interlayer insulating film, and the second interlayer insulating film, the spin-on glass film, and the first interlayer insulating film are etched using the photoresist pattern as an etch stop layer to form a via hole. . Subsequently, the photoresist pattern is removed using an O 2 plasma.
도2a는 상기 방법으로 형성된 비아홀 단면의 SEM으로 사진이다. 상기 결과에 나타난 바와 같이 전자-빔을 이용하여 큐어링을 실시하게 되면 스핀온글래스막(22) 내의 수분 및 용제 제거는 물론 고전압으로 가속된 전자가 스핀온글래스막(22)내의 약한 Si-CH3및 C-H 결합을 끊어 스핀온글래스막 내의 자유부피(free volume)를 제거할 수 있기 때문에 스핀온글래스막이 비아홀 측벽에서 O2플라즈마에 노출되더라도 부피 축소에 의한 보잉 현상이 근본적으로 방지된다.Figure 2a is a SEM photograph of the cross section of the via hole formed by the above method. As shown in the above results, when curing is performed using an electron-beam, moisture and a solvent in the spin-on glass film 22 as well as electrons accelerated to high voltage are weakly Si-CH in the spin-on glass film 22. Since the free volume in the spin-on glass film can be removed by breaking the 3 and CH bonds, even if the spin-on glass film is exposed to O 2 plasma at the sidewall of the via hole, the bowing phenomenon due to volume reduction is fundamentally prevented.
다음의 도2b는 하부 금속층(20)을 포함한 반도체 기판(도시되지 않음) 상에 본 발명에 따른 전자-빔을 이용한 스핀온글래스막 큐어링 방법으로 형성된 비아홀에 금속막(24)을 증착한 결과를 나타내는 SEM 사진으로서, 종래의 열을 이용한 스핀온글래스막 큐어링 방법으로 형성된 비아홀 경우보다 금속막덥힘이 현저하게 향상됨을 알 수 있다.2B shows a result of depositing a metal film 24 in a via hole formed by a spin-on glass film curing method using an electron beam according to the present invention on a semiconductor substrate (not shown) including a lower metal layer 20. As a SEM photograph, it can be seen that the metal film covering is remarkably improved as compared with the case of the via hole formed by the conventional spin-on glass film curing method using heat.
전자-빔을 스핀온글래스막 큐어링에 적용하기 위하여는 적절한 에너지와 도즈(dose) 조건을 고려해야 한다. 에너지와 도즈의 크기에 비례하여 큐어링 효과는 좋아지는 반면 전자 축적(electron charge)에 의한 소자의 손상이 발생할 수 있기 때문이다. 예로써, 고에너지로 주입된 전자가 반도체 트랜지스터의 게이트 산화막까지 침투하게 되면 효과적인 소자의 특성을 얻지 못할 수 있다.Appropriate energy and dose conditions must be considered in order to apply electron-beams to spin-on glass film curing. This is because the curing effect is improved in proportion to the energy and the size of the dose, but damage to the device may occur due to electron charge. For example, when electrons injected with high energy penetrate the gate oxide layer of the semiconductor transistor, characteristics of an effective device may not be obtained.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 비에치백 방식의 삼층금속막(triple layer metal, TLM) 구조를 갖는 디바이스의 금속 배선 형성 공정의 전자-빔을 이용한 스핀온글래스막 큐어링 방법을 설명한다.Hereinafter, a method for curing a spin-on-glass film using an electron beam in a metal wiring forming process of a device having a non-etch back type triple layer metal (TLM) structure according to an embodiment of the present invention will be described. .
먼저, 제1 금속 배선층이 형성된 반도체 기판 상에 제1 층간절연막 및 제1 스핀온글래스막을 형성한다. 다음으로, 상기 제1 스핀온글래스막을 전자빔을 이용하여 큐어링 하는데 이때 전자빔의 가속 전압 및 도즈 조건은 상기 제1 스핀온글래스막 하부에 형성된 막의 특성에 따라 결정된다. 예를 들어 게이트 절연막과 가깝게 형성된 제1 스핀온글래스막의 전자-빔을 이용한 큐어링 경우는 비교적 낮은 에너지로 전자-빔을 가속하고 도즈는 높게 하여 제1 스핀온글래스막의 하부의 게이트 산화막의 손상이 발생하지 않도록 한다. 제1 스핀온글래스막을 큐어링하기 위하여 가속 전압 4 ∼ 5 KV, 도즈량 3000∼6000 μC/㎠ 조건의 전자-빔을 사용한다.First, a first interlayer insulating film and a first spin-on glass film are formed on a semiconductor substrate on which the first metal wiring layer is formed. Next, the first spin-on glass film is cured using an electron beam, wherein an acceleration voltage and a dose condition of the electron beam are determined according to characteristics of a film formed under the first spin-on glass film. For example, in the case of curing using the electron-beam of the first spin-on glass film formed close to the gate insulating film, the electron-beam is accelerated with a relatively low energy and the dose is high to damage the gate oxide film under the first spin-on glass film. Do not occur. In order to cure the first spin-on glass film, an electron-beam having an acceleration voltage of 4 to 5 KV and a dose amount of 3000 to 6000 µC / cm 2 was used.
다음으로, 제1 스핀온글래스막 상에 제2 층간절연막을 증착하고, 제2 층간절연막, 제1 스핀온글래스막, 제1 층간절연막을 선택적으로 식각하여 제1 비아홀을 형성한다.Next, a second interlayer insulating film is deposited on the first spin on glass film, and the second via insulating film, the first spin on glass film, and the first interlayer insulating film are selectively etched to form a first via hole.
이어서, 전체 구조에 제2 금속막을 증착하고 사진식각하여 금속 배선을 형성한 후, 제3 층간절연막과 제2 스핀온글래스막을 형성한다. 다음으로, 제2 스핀온글래스막의 큐어링을 실시하는데 이때 전자빔의 가속 전압 및 도즈량은 상기 제1 스핀온글래스막의 큐어링 조건과는 달리 가속 전압을 높게 하고 도즈량은 감소시킨다. 예로써, 전자빔의 가속 전압은 5∼7 KV, 도즈량은 2000∼4000μC/㎠ 으로 상기 제2 스핀온글래스막의 큐어링을 실시한다.Subsequently, a second metal film is deposited on the entire structure and photo-etched to form a metal wiring, and then a third interlayer insulating film and a second spin-on glass film are formed. Next, the curing of the second spin-on glass film is performed. At this time, the acceleration voltage and the dose of the electron beam are different from the curing conditions of the first spin-on glass film, and the acceleration voltage is increased and the dose is decreased. For example, the second spin-on glass film is cured at an acceleration voltage of 5 to 7 KV and a dose of 2000 to 4000 µC / cm 2.
이어서, 제2 스핀온글래스막 상에 제4 층간절연막을 형성하고, 상기 제4 층간절연막, 제2 스핀온글래스막, 제3 층간절연막을 선택적으로 식각하여 제2 비아홀을 형성한 후 제3 금속막을 증착한다.Subsequently, a fourth interlayer insulating film is formed on the second spin-on glass film, and the fourth interlayer insulating film, the second spin-on glass film, and the third interlayer insulating film are selectively etched to form a second via hole, and then a third metal. The film is deposited.
상기와 같은 전자빔을 이용한 스핀온글래스막의 큐어링 방법은 종래의 열을 이용한 큐어링 방법에서 발생하는 보잉 현상을 방지하여 금속막덥힘이 특성이 양호해진다.The curing method of the spin-on glass film using the electron beam as described above prevents the bowing phenomenon occurring in the conventional curing method using heat, and thus the metal film covering is improved.
본 발명에 따른 전자-빔 큐어링 방법은 고전압으로 가속된 전자를 물질에 주입하는 전자 빔 큐어링 방법으로 웨이퍼 뒷면에 아크 램프(arc lamp)를 장착하여 전자-빔에 의한 큐어링 효과와 램프의 열에 의한 큐어링 효과를 동시에 얻을 수 있도록 할 수도 있다.The electron-beam curing method according to the present invention is an electron beam curing method for injecting electrons accelerated at a high voltage into a material. It is also possible to simultaneously obtain a thermal curing effect.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes can be made in the art without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary knowledge.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 다층 금속 배선 구조를 갖는 반도체 소자의 제조 공정에서 금속층간 평탄화막으로 사용되는 스핀온글래스를 전자-빔으로 큐어링하여 보잉 현상으로 인한 금속막덥힙 불량을 근본적으로 방지할 수 있다. 종래 열을 이용한 스핀온글래스막 큐어링을 실시한 경우 수율이 6.6%인 것과 비교할 때 본 발명에 따른 전자-빔을 이용한 스핀온글래스막의 큐어링을 실시한 경우 수율이 62.1%으로 현저하게 증가한다.According to the present invention, the spin-on glass, which is used as a planarization film between metal layers, in the manufacturing process of a semiconductor device having a multi-layered metal interconnection structure is cured by electron-beam to fundamentally prevent metal film covering defects caused by a bowing phenomenon. Can be. The yield is significantly increased to 62.1% when the spin-on glass film is cured using the electron beam according to the present invention, compared to the conventional 6.6% when the spin-on glass film is cured using heat.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100480232B1 (en) * | 2000-12-14 | 2005-04-06 | 주식회사 하이닉스반도체 | Method for forming the bit line contact of semiconductor device |
-
1997
- 1997-06-30 KR KR1019970029040A patent/KR19990004880A/en not_active Application Discontinuation
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| KR100480232B1 (en) * | 2000-12-14 | 2005-04-06 | 주식회사 하이닉스반도체 | Method for forming the bit line contact of semiconductor device |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| WITN | Withdrawal due to no request for examination |