KR19990085681A - Wiring formation method of semiconductor device by damascene process - Google Patents

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Abstract

다마신 공정에 의한 반도체 장치의 배선 형성 방법에 관하여 개시한다. 본 발명에서는 전도층이 형성되어 있는 반도체 기판상에 상기 전도층을 덮는 평탄화된 제1 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 평탄화된 층간절연막 위에 식각 저지용 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 식각 저지용 층간절연막 위에 평탄화된 제2 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 평탄화된 제2 층간절연막을 식각하여 홈을 형성하는 단계와, 다마신 공정에 의하여 상기 홈 내에 배선층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 배선 형성 방법을 제공한다.The wiring formation method of a semiconductor device by a damascene process is disclosed. In the present invention, forming a first planarized interlayer insulating film covering the conductive layer on a semiconductor substrate having a conductive layer, forming an etch stop interlayer insulating film on the planarized interlayer insulating film, and the etch stop Forming a planarized second interlayer insulating film over the interlayer insulating film, etching the flattened second interlayer insulating film to form a groove, and forming a wiring layer in the groove by a damascene process. A wiring forming method of a semiconductor device is provided.

Description

다마신 공정에 의한 반도체 장치의 배선 형성 방법Wiring formation method of a semiconductor device by a damascene process

본 발명은 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 다마신 공정에 의하여 반도체 장치의 배선을 형성할 때 다마신 공정에 의하여 형성된 배선층과 하부 전도층과의 전기적 단락을 방지할 수 있도록 층간절연막을 형성하는 배선 형성 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 in particular, when forming a wiring of a semiconductor device by a damascene process, an interlayer insulating film is formed to prevent an electrical short between the wiring layer formed by the damascene process and a lower conductive layer. It relates to a wiring forming method.

반도체 장치의 고집적화에 따른 레이아웃 마진 및 제품 특성의 개선을 위하여 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 채용하는 것이 일반화되고 있는 추세이다. 기본적으로, CMP 공정을 채용함으로써 텅스텐 다마신 및 텅스텐 플러그 형성 공정이 가능해짐에 따라 기존의 금속 예를 들면 알루미늄과 같은 낮은 시트 저항을 가지는 텅스텐 전도층을 형성하는 것이 가능하게 되었으며, 또한 낮은 저항을 갖는 콘택홀의 형성이 가능하게 되었다.In order to improve layout margins and product characteristics due to high integration of semiconductor devices, it is a general trend to adopt a CMP (Chemical Mechanical Polishing) process. Basically, the adoption of the CMP process enables the tungsten damascene and tungsten plug forming processes to form a tungsten conductive layer with a low sheet resistance, such as conventional metals such as aluminum, and also provides a low resistance. It is possible to form contact holes to have.

그러나, CMP에 의하여 식각되는 양의 변화에 따른 텅스텐 다마신층의 두께 변화 및 CMP에 의하여 제거되는 층간절연막의 두께의 변화에 따라서 텅스텐 다마신과 하부 전도층 사이에 층간절연막의 마진이 부족하게 되는 현상이 발생되고, 이와 같은 현상은 CMP 공정에서 해결되어야 할 과제로 남아 있다.However, the margin of the interlayer insulating layer is insufficient between the tungsten damascene and the lower conductive layer due to the change of the thickness of the tungsten damascene layer according to the change of the amount etched by the CMP and the thickness of the interlayer insulating layer removed by the CMP. Phenomenon occurs, and this phenomenon remains a problem to be solved in the CMP process.

이를 해결하기 위하여 종래에는 층간절연막으로 사용되는 유전막의 두께를 높임으로써 유전막의 CMP 마진을 개선하고자 하였다. 그러나, 이 방법에 의하면 텅스텐 플러그를 형성하기 위하여 형성되는 콘택홀의 아스펙트비(aspect ratio)가 증가하게 되어 콘택 저항을 증가시키는 결과를 초래한다. 따라서, 이와 같은 방법을 이용하는 데에는 한계가 있다.In order to solve this problem, the conventional CMP margin of the dielectric film was improved by increasing the thickness of the dielectric film used as the interlayer insulating film. However, according to this method, the aspect ratio of the contact hole formed to form the tungsten plug is increased, resulting in an increase in contact resistance. Therefore, there is a limit to using such a method.

본 발명의 목적은 다마신 공정에 의하여 배선을 형성할 때 CMP 공정시 층간절연막의 마진을 확보할 수 있는 반도체 장치의 배선 형성 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for forming a wiring of a semiconductor device which can secure a margin of an interlayer insulating film during a CMP process when forming a wiring by a damascene process.

도 1 내지 도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배선 형성 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.1 to 12 are cross-sectional views according to a process sequence to explain a wiring forming method according to a preferred embodiment of the present invention.

도 13은 본 발명에 따른 배선 형성 방법에서 층간절연막에 대하여 과도한 식각이 이루어진 경우의 상태를 도시한 단면도이다.13 is a cross-sectional view illustrating a state in which excessive etching is performed on the interlayer insulating film in the wiring forming method according to the present invention.

도 14는 본 발명에 따른 배선 형성 방법에서 다마신 공정에 의하여 배선층 및 콘택을 형성한 결과를 나타낸 단면도이다.14 is a cross-sectional view showing a result of forming a wiring layer and a contact by a damascene process in the wiring forming method according to the present invention.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 전도층이 형성되어 있는 반도체 기판상에 상기 전도층을 덮는 평탄화된 제1 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 평탄화된 층간절연막 위에 식각 저지용 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 식각 저지용 층간절연막 위에 평탄화된 제2 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 평탄화된 제2 층간절연막을 식각하여 홈을 형성하는 단계와, 다마신 공정에 의하여 상기 홈 내에 배선층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 배선 형성 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, in the present invention, forming a planarized first interlayer insulating film covering the conductive layer on the semiconductor substrate on which the conductive layer is formed, and forming an etch stop interlayer insulating film on the planarized interlayer insulating film Forming a planarized second interlayer insulating film on the etch stop interlayer insulating film, etching the flattened second interlayer insulating film to form a groove, and forming a wiring layer in the groove by a damascene process. It provides a wiring forming method of a semiconductor device comprising the step of forming.

바람직하게는, 상기 식각 저지용 층간절연막은 질화 실리콘막으로 형성되고,Preferably, the etch stop interlayer insulating film is formed of a silicon nitride film,

상기 평탄화된 제2 층간절연막은 P-TEOS막으로 형성된다.The planarized second interlayer insulating film is formed of a P-TEOS film.

본 발명에 의하면, 유전막을 식각하여 홈을 형성할 때 또는 CMP 공정에 의하여 평탄화할 때 과도한 식각이 이루어진 경우에도 다마신층과 하부 전도층과의 전기적 단락 현상을 방지할 수 있다.According to the present invention, an electric short circuit between the damascene layer and the lower conductive layer can be prevented even when excessive etching is performed when the dielectric film is etched to form a groove or planarized by a CMP process.

다음에, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Next, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1 내지 도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배선 형성 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다. 본 예에서는 실리콘 기판 위에 SRAM(Static Random Access Memory) 셀을 형성하는 경우에 대하여 설명한다.1 to 12 are cross-sectional views according to a process sequence to explain a wiring forming method according to a preferred embodiment of the present invention. In this example, a case of forming a static random access memory (SRAM) cell on a silicon substrate will be described.

도 1을 참조하면, 반도체 기판(10)상에 소자 분리막(12)과 게이트 산화막(14)을 형성한다.Referring to FIG. 1, an isolation layer 12 and a gate oxide layer 14 are formed on a semiconductor substrate 10.

도 2를 참조하면, 상기 게이트 산화막(14)이 형성된 반도체 기판(10)상에 MOS 트랜지스터의 게이트 전도층(16)을 형성한다. 상기 게이트 전도층(16)은 예를 들면 도핑된 폴리실리콘으로 형성한다.Referring to FIG. 2, the gate conductive layer 16 of the MOS transistor is formed on the semiconductor substrate 10 on which the gate oxide film 14 is formed. The gate conductive layer 16 is formed of doped polysilicon, for example.

도 3을 참조하면, 상기 게이트 전도층(16)이 형성된 반도체 기판(10) 전면을 덮는 평탄화된 층간절연막(20), 예를 들면 USG(Undoped Silicate Glass)막을 형성한다.Referring to FIG. 3, a planarized interlayer insulating film 20 covering the entire surface of the semiconductor substrate 10 on which the gate conductive layer 16 is formed, for example, an USG (Undoped Silicate Glass) film is formed.

도 4를 참조하면, 상기 평탄화된 층간절연막(20)을 패터닝하여 상기 게이트 전도층(16) 및 반도체 기판(10)을 일부 노출시키는 콘택홀(H1)을 갖춘 제1 층간절연막(20a)을 형성한다.Referring to FIG. 4, the planarized interlayer insulating film 20 is patterned to form a first interlayer insulating film 20a having a contact hole H1 exposing the gate conductive layer 16 and the semiconductor substrate 10. do.

도 5를 참조하면, 상기 층간 절연막(20a)의 상면 및 상기 콘택홀(H1) 내에 SRAM 셀의 부하 소자로 사용되는 TFT(Thin Film Transistor)의 게이트 전도층(22)을 형성한다. 상기 게이트 전도층(22)은 예를 들면 도핑된 폴리실리콘으로 형성한다.Referring to FIG. 5, a gate conductive layer 22 of a thin film transistor (TFT) used as a load element of an SRAM cell is formed in an upper surface of the interlayer insulating layer 20a and the contact hole H1. The gate conductive layer 22 is formed of doped polysilicon, for example.

도 6을 참조하면, 상기 게이트 전도층(22)이 형성된 반도체 기판(10) 전면에 TFT의 게이트 절연막(24), 예를 들면 HTO(High Temperature Oxide)막을 형성한다.Referring to FIG. 6, a gate insulating film 24 of a TFT, for example, a high temperature oxide (HTO) film, is formed on an entire surface of the semiconductor substrate 10 on which the gate conductive layer 22 is formed.

도 7을 참조하면, 상기 게이트 절연막(24)을 패터닝하여 상기 게이트 전도층(22)을 일부 노출시킨다. 그 후, 상기 노출된 게이트 절연막(22)과 접촉되는 TFT의 채널 전도층(26), 예를 들면 비정질 폴리실리콘층을 얇게 형성한다.Referring to FIG. 7, the gate insulating layer 24 is patterned to partially expose the gate conductive layer 22. Thereafter, a thin channel conductive layer 26, for example, an amorphous polysilicon layer, of the TFT in contact with the exposed gate insulating film 22 is formed.

도 8을 참조하면, 상기 채널 전도층(26)이 형성된 반도체 기판(10)상에 평탄화된 제2 층간절연막(30), 예를 들면 HTO막을 형성한다.Referring to FIG. 8, a planarized second interlayer insulating film 30, for example, an HTO film, is formed on the semiconductor substrate 10 on which the channel conductive layer 26 is formed.

도 9를 참조하면, 상기 제2 층간절연막(30) 위에 제3 층간절연막(40), 예를 들면 질화 실리콘막을 형성한다. 상기 제3 층간절연막(40)은 그 상면에 형성될 층간절연막에 대하여 높은 식각 선택비를 갖는 유전막으로 형성하며, 이는 후속 공정에서 다마신 공정을 위한 식각시에 식각 저지층으로 작용하게 된다.Referring to FIG. 9, a third interlayer insulating film 40, for example, a silicon nitride film, is formed on the second interlayer insulating film 30. The third interlayer insulating film 40 is formed of a dielectric film having a high etching selectivity with respect to the interlayer insulating film to be formed on the upper surface, which serves as an etch stop layer during etching for the damascene process in a subsequent process.

도 10을 참조하면, 상기 제3 층간절연막(40) 위에 평탄화된 제4 층간절연막(50)을 형성한다. 상기 제4 층간절연막(50)은 상기 제3 층간절연막(40)과는 식각 선택비가 다른 물질막, 예를 들면 P-TEOS막으로 형성한다.Referring to FIG. 10, a planarized fourth interlayer insulating film 50 is formed on the third interlayer insulating film 40. The fourth interlayer insulating film 50 is formed of a material film having a different etching selectivity from the third interlayer insulating film 40, for example, a P-TEOS film.

도 11을 참조하면, 다마신 공정에 의하여 배선을 형성하기 위하여 상기 제4 층간절연막(50)을 식각하여 배선 형성을 위한 홈(H2)과 플러그 콘택홀(H3)을 형성한다. 이 때, 상기 홈(H2) 및 플러그 콘택홀(H3)은 각각 별개의 사진 식각 공정을 거쳐서 완성된다.Referring to FIG. 11, the fourth interlayer insulating layer 50 is etched to form a wiring by a damascene process to form a groove H2 and a plug contact hole H3 for wiring formation. In this case, the groove H2 and the plug contact hole H3 are completed through separate photolithography processes.

도 12를 참조하면, 상기 홈(H2) 및 플러그 콘택홀(H3) 내벽에 배리어막(도시 생략), 예를 들면 Ti/TiN막을 형성하고 텅스텐을 증착한 후 CMP 공정에 의하여 상기 홈(H2)과 플러그 콘택홀(H3)의 내부에 각각 배선층(52) 및 콘택(54)을 형성한다.Referring to FIG. 12, a barrier film (not shown), for example, a Ti / TiN film is formed on an inner wall of the groove H2 and the plug contact hole H3, and tungsten is deposited, and then the groove H2 is formed by a CMP process. The wiring layer 52 and the contact 54 are formed in the plug contact hole H3.

도 13은 상기 제4 층간절연막(50)에 대하여 과도한 식각이 이루어진 경우의 상태를 도시한 단면도이다. 본 발명에서는 상기 제4 층간절연막(50)의 하부에 상기 제4 층간절연막(50)보다 높은 식각 선택비를 갖는 제3 층간절연막(40)을 형성하였으므로, 다마신 공정을 행하기 위하여 상기 홈(H2') 및 플러그 콘택홀(H3')을 형성할 때 과도한 식각이 이루어진 경우에도 상기 제3 층간절연막(40)이 식각 저지층 역할을 함으로써 그 하부의 전도층까지 식각되는 것을 방지할 수 있다.FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating a state in which excessive etching is performed on the fourth interlayer insulating film 50. In the present invention, since the third interlayer insulating film 40 having an etching selectivity higher than that of the fourth interlayer insulating film 50 is formed below the fourth interlayer insulating film 50, the groove ( Even when excessive etching is performed when H 2 ′) and the plug contact hole H 3 ′ are formed, the third interlayer insulating layer 40 may serve as an etch stop layer to prevent etching to the lower conductive layer.

도 14는 상기 홈(H2') 및 플러그 콘택홀(H3') 내에 다마신 공정에 의하여 각각 배선층(52a) 및 콘택(54a)을 형성한 결과를 나타낸 단면도이다. 다마신 공정을 행하기 위하여 상기 홈(H2') 및 플러그 콘택홀(H3') 내에 배선을 형성할 때 과도한 CMP가 이루어진 경우에도 상기 제3 층간절연막(40)이 식각 저지층 역할을 함으로써 상기 배선층(52a)과 하부 전도층과의 단락 현상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating a result of forming the wiring layer 52a and the contact 54a by the damascene process in the groove H2 'and the plug contact hole H3', respectively. The third interlayer insulating film 40 serves as an etch stop layer even when excessive CMP is formed when wiring is formed in the groove H2 'and the plug contact hole H3' to perform the damascene process. Short circuit phenomenon between 52a and the lower conductive layer can be prevented from occurring.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면 텅스텐과 같은 전도성 물질로 이루어지는 다마신층과 하부 전도층 사이에 식각 선택비가 다른 2개 이상의 유전막을 적층하여 층간절연막을 구성하므로, 유전막을 식각하여 홈을 형성할 때 또는 CMP 공정에 의하여 평탄화할 때 과도한 식각이 이루어진 경우에도 다마신층과 하부 전도층과의 전기적 단락 현상을 방지할 수 있다.As described above, according to the present invention, since an interlayer insulating film is formed by stacking two or more dielectric films having different etch selectivity between the damascene layer made of a conductive material such as tungsten and the lower conductive layer, the groove is formed by etching the dielectric film. Even when excessive etching occurs during the planarization by the CMP process or the CMP process, an electrical short circuit between the damascene layer and the lower conductive layer can be prevented.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형이 가능하다.The present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made by those skilled in the art within the scope of the technical idea of the present invention. Do.

Claims (3)

전도층이 형성되어 있는 반도체 기판상에 상기 전도층을 덮는 평탄화된 제1 층간절연막을 형성하는 단계와,Forming a planarized first interlayer insulating film covering the conductive layer on the semiconductor substrate on which the conductive layer is formed; 상기 평탄화된 층간절연막 위에 식각 저지용 층간절연막을 형성하는 단계와,Forming an etch stop interlayer insulating film on the planarized interlayer insulating film; 상기 식각 저지용 층간절연막 위에 평탄화된 제2 층간절연막을 형성하는 단계와,Forming a planarized second interlayer insulating film on the etch stop interlayer insulating film; 상기 평탄화된 제2 층간절연막을 식각하여 홈을 형성하는 단계와,Etching the planarized second interlayer insulating film to form a groove; 다마신 공정에 의하여 상기 홈 내에 배선층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 배선 형성 방법.And forming a wiring layer in the groove by a damascene process. 제1항에 있어서, 상기 식각 저지용 층간절연막은 질화 실리콘막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 배선 형성 방법.The method of claim 1, wherein the etch stop interlayer insulating film is formed of a silicon nitride film. 제1항에 있어서, 상기 평탄화된 제2 층간절연막은 P-TEOS막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 배선 형성 방법.The method of claim 1, wherein the planarized second interlayer insulating film is formed of a P-TEOS film.
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