KR20010059538A - 반도체소자의 금속배선 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 금속 배선 형성방법에 관한 것으로, 유전율이 낮은 무기 물질과 유전율이 낮은 유기 물질을 연속적인 절연막층으로 형성함에 의해 종래의 배선 형성을 위한 절연층 형성 공정에 비해 공정의 단순화를 이룰 수 있고, 종래의 대머신 공정에서 사용하던 산화막이나 질화막으로 된 식각 베리어를 사용하지 않아도 되므로 공정이 단순하고, 이에 따른 제조 원가의 절감을 기할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 소자의 금속 배선 형성방법에 관한 것으로, 특히 유전율(Dielectric Constant)이 낮은 유기 물질(Organic Low-k material)과 유전율이 낮은 무기 물질(Inorganic Low-k material)을 연속적인 절연막층으로 형성함에 의해 종래의 비아 퍼스트 듀얼 대머신 구조(Via First Damascene S초듣)에서 사용하던 식각 베리어(Etch Barrier)를 사용하지 않아 공정의 단순화를 이루어 반도체 소자의 제조공정 수율 및 신뢰성 향상을 도모할 수 있는 반도체 소자의 금속 배선 형성방법에 관한 것이다.
종래의 알루미늄을 금속배선으로 사용하는 층간 절연막 형성 기술은 절연막으로 주로 실리콘 산화막을 사용한다. 상기 실리콘 산화막은 유전상수 k 값이 4로서, 선간 캐패시턴스(capacitance)는 거리에 반비례하고 면적에 비례하는데, 종래의 0.16 Tech. 이상 디램 소자의 제조 공정에서 금속 선간 간격이 0.3㎛ 이상이었기 때문에 RC 지연 현상이나 크로스-토킹(cross-talking) 현상 등의 원하지 않는 오동작 현상이 없었다.
그러나 0.1Tech. 이하의 소자에서는 금속선간 간격이 0.3㎛ 이하로 줄어 들기 때문에 금속선간 캐패시턴스가 급격히 증가하고, 이에 따른 상기의 문제점이 심각해져 소자가 제대로 작동하지 않게 된다.
동일한 금속배선 구조에서 선간/층간 캐패시턴스를 줄이기 위해서는 층간 절연막을 저유전율을 갖는 물질로 대치해야 한다. 저유전율막으로는 카본을 함유하는 산화막, 즉 SiOxCy 박막을 금속배선위에 형성하고 그 위에 비아 식각시 포토레지스트와 선택비를 갖는 캐핑 산화막(capping oxide)을 증착해야 하는데, 상기 SiOxCy 박막과 캐핑 산화막 사이의 접착력이 충분하지 않아 후속 열처리(annealing) 공정 혹은 비아 콘택 형성 공정에서 박막 리프팅(ligting)이나 크랙 등이 발생하게 되어 반도체 소자의 제조 공정 수율을 저하시키게 되는 문제점이 있다.
또한, 금속층간 절연물질로 낮은 유전물질을 사용하는 종래의대머신(Damascene) 방법에서는 비아 콘택 형성을 위한 식각공정 진행시 식각해야 할 층이 매우 많아 식각공정측면에서 공정이 복잡한 단점이 있다.
따라서 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 저유전율의 유기물질과 저유전율의 무기 물질을 절연막층으로 적층하여 사용함에 의해 종래의 대머신 공정에서 사용하던 산화막이나 질화막으로 된 식각 베리어(Etch barrier)를 사용하지 않도록 하여 공정을 단순화시키고, 저유전율의 유기물질과 저유전율의 무기 물질로 된 절연층의 식각 공정을 조합한 대머신 식각 공정을 개발하여 0.15㎛ 이하의 고집적 반도체 소자의 제조에 적용할 수 있는 반도체 소자의 금속배선 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1a 내지 도 1e 는 본 발명의 방법에 따른 금속배선 형성공정의 일실시예를 도시한 단면도
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 하부 금속층 3 : 캐핑층(질화막)
5 : 저 유전율의 무기 절연막 7 : 저 유전율의 유기 절연막
9 : 하드 마스크(질화막) 11 : 반사 방지막
12, 18 : 비아 홀 13 : 비아 마스크 패턴
15 : 트렌치 마스크 패턴
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법에 따른 반도체 소자의 금속배선형성방법은,
하부 금속층의 상부에 질화막, 저 유전율의 무기 절연층, 저 유전율의 유기 절연층, 하드 마스크 질화막, 유기 반사방지막을 차례로 형성하는 단계와;
상기 구조 상부에 감광막을 도포한 후 패터닝하여 마스크 패턴을 형성하는 단계와;
상기 마스크 패턴을 마스크로 하여 하부의 유기 반사방지막, 하드 마스크 질화막, 저유전율의 유기 절연층, 저 유전율의 무기 절연층을 차례로 식각하는 단계와;
습식 케미칼을 이용한 후 처리 공정을 진행하는 하는 단계와;
상기 구조의 상부에 감광막을 도포한 뒤 패터닝하여 트렌치 마스크 패턴을 형성하는 단계와;
하부의 하드 마스크 질화막, 저 유전율의 유기 절연층을 식각하는 단계와;
저 유전율의 물질에 적용하는 습식 케미칼을 이용하여 후처리 공정을 실시하는 단계와;
하부 금속층 상부의 노출된 질화막을 제거한 후, 후처리 공정을 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 상기한 공정 중 상기 저유전율의 유기 절연물질로 BCB, Flare, SiLK 등의 CxHyOz 물질을 사용하는 것을 특징으로 하고,
상기 저유전율의 무기 절연물질로 SiOC:H, SiOC, SiOF, Siloxane SOG, Silicate SOG, HSQ, MSQ, HOSP, LOSP, FSG 중 임의의 어느 하나의 물질을 사용하는 것을 특징으로 하며,
상기 저유전율의 무기 절연물질층 식각시 CxFy/CO/N2/Ar 가스 케미스트리를 이용한 플라즈마 건식식각 방법으로 하며,
상기 저유전율의 유기 절연물질층 식각시 CxHy 및 N2H2베이스의 가스 케미스트리를 사용하여 식각하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1a 내지 도 1e 는 본 발명의 방법에 따른 금속배선 형성공정의 일실시예를 도시한 단면도이다.
먼저, 도 1a를 참조하면, Al 또는 Cu 등으로 되는 하부 금속층(1)의 상부에 캐핑층(capping layer)으로 질화막(3)을 형성한다.
상기 질화막(3)의 상부로 저 유전율의 무기 절연층(5), 저 유전율의 유기 절연층(7), 하드 마스크 질화막(9), 유기 반사방지막을(11) 차례로 형성한 후, 감광막을 도포한 후 패터닝하여 비아 마스크 패턴(13)을 형성한다. 상기에서 감광막은 원자외선(Deep Ultraviolet ; 이하 'DUV'라 함) 감광막을 사용한다.
한편, 상기 하드 마스크 질화막 대신 저유전율의 무기 절연물질을 사용할 수도 있다.
도 1b를 참조하면, 상기 비아 마스크 패턴(13)을 마스크로 하여 하부의 유기 반사방지막(11), 하드 마스크 질화막(9), 저유전율의 유기 절연층(7), 저 유전율의 무기 절연층(5)까지 차례로 식각하여 비아 홀(14)을 형성한다.
그 후, 후처리 공정(Post-Cleaning)을 실시한다.
이때 상기 메탈 캐핑층으로 사용되는 질화막 층(3) 식각시 CF4/CHF3스/Ar 가스를 사용한 플라즈마 건식식각 방법으로 한다. 이때 하부 메탈층(1)의 손상을 적게하기 위해 바이어스 파워를 100∼300W 로 작게 가져 간다.
한편, 상기에서 한편, 상기에서 메탈 캐핑층으로 상기 질화막 대신 SiC 메탈을 사용할 수도 있으며, 이 경우, SiC 층 식각시 CF4/CHF3/CO/Ar 가를 사용한 플라즈마 건식식각으로 진행한다. 즉 O2가스는 첨가하지 않고 CO 가스를 대신 사용하여 저 유전율의 무기 절연층의 표면 특성 열화를 방지한다.
참고로, 현재까지의 자료들에 의하면, O2가스는 저 유전율의 무기 절연물질의 표면의 Si-H, Si-CH3등의 결합을 감소시켜 유전율을 감소시키는 요인이 되는 것으로 밝혀져 있다. 따라서 메탈 캐핑층의 식각 공정단계에서는 무기 절연물질의 표면에 폴리머가 없는 순수한 상태이므로 O2가스에 의한 표면 특성의 열화 가능성이 크기 때문에 CO 가스를 대신 첨가하는 방법을 사용한다.
또한, SiC 식각이 SiO2계열의 무기 절연물질에 비해 식각이 잘 되도록 H(수소) 수소 성분이 많이 첨가된 CH3F 가스 등을 사용한다.
다음 도 1c를 참조하면, 상기 구조의 상부에 감광막을 도포한 뒤 패터닝하여 트렌치 마스크 패턴(15)을 형성한다. 이때 상기 트렌치 마스크 패턴(15) 형성시에도 유기 반사방지막(11)을 사용하며, 특히 상기 마스크 패터닝 과정에서 상기 형성된 비아 홀(12)의 내부에 감광막(17)이 잔존하게 되는데, 이것은 초점심도(Depth Of Focus) 마진의 부족에 따른 것으로 식각 공정 측면에서는 후속 트렌치 식각 단계에서 하부층인 질화막과 금속층으로의 어택(Attack)을 방지하는 역할을 한다.
도 1d를 참조하면, 상기 트렌치 마스크 패턴(15)를 마스크로 하여 하부의 노출된 층을 식각한다. 즉 상부층으로부터 유기 반사방지막(11), 하드 마스크 질화막(9), 저 유전율의 유기 절연층(7)을 차례로 식각한다.
상기 트렌치 마스크 패턴(15)을 이용한 식각공정은 저 유전율의 무기 절연층(5)이 노출되고, 비아 홀(12) 내부의 감광막(15)이 제거될 때까지 진행한다.
상기와 같이 비아 홀(12) 내부의 잔존 감광막(17)이 전부 제거되기 까지 식각을 진행하여도 무기 절연층에 대한 유기 절연층의 선택도가 보통 20 이상으로 매우 크기 때문에 약 6000Å 정도의 두께까지 과도 식각을 진행하여도 무기 절연층은 300Å 정도 밖에 손실을 받지 않는다.
그 후 저 유전율의 물질에 적용하는 습식 케미칼, 예컨데 EKC 640, ACT 970, ST 250 등의 습식 케미칼을 사용하여 후처리 공정을 진행한다.
도 1e를 참조하면, 하부 금속층(1) 상부의 노출된 질화막(3)을 식각한 후, 후처리 공정을 진행한다. 이때 상기 후 처리 공정은 저유전율의 물질에 적용되는 EKC 640, ACT 970, ST 250 등의 습식 케미칼을 사용하여 진행한다.
한편, 상기 한 본 발명의 방법은 저 유전율의 유기 및 무기 절연막층을 사용하는 다양한 대머신 구조, 예컨데 비트라인 대머신 공정에도 적용이 가능하다.
이상 상술한 바와 같이, 저유전율의 유기물질과 저유전율의 무기 물질을 절연막층으로 적층하여 금속배선의 절연층 형성 공정에 적용하는 본 발명의 방법은 종래의 대머신 공정에서 사용하던 산화막이나 질화막으로 된 식각 베리어(Etch barrier)를 사용하지 않아도 되므로 공정이 단순하고, 이에 따른 제조 원가의 절감을 기할 수 있다.
Claims (14)
- 반도체 소자의 금속배선 형성방법에 있어서,하부 금속층의 상부에 질화막, 저 유전율의 무기 절연층, 저 유전율의 유기 절연층, 하드 마스크 질화막, 유기 반사방지막을 차례로 형성하는 단계와;상기 구조 상부에 감광막을 도포한 후 패터닝하여 마스크 패턴을 형성하는 단계와;상기 마스크 패턴을 마스크로 하여 하부의 유기 반사방지막, 하드 마스크 질화막, 저유전율의 유기 절연층, 저 유전율의 무기 절연층을 차례로 식각하는 단계와;습식 케미칼을 이용한 후 처리 공정을 진행하는 하는 단계와;상기 구조의 상부에 감광막을 도포한 뒤 패터닝하여 트렌치 마스크 패턴을 형성하는 단계와;하부의 하드 마스크 질화막, 저 유전율의 유기 절연층을 식각하는 단계와;저 유전율의 물질에 적용하는 습식 케미칼을 이용하여 후처리 공정을 실시하는 단계와;하부 금속층 상부의 노출된 질화막을 제거한 후, 후처리 공정을 실시하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법
- 제 1 항에 있어서상기 저유전율의 유기 절연물질로 BCB, Flare, SiLK 등의 CxHyOz 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법
- 제 1 항에 있어서상기 저유전율의 무기 절연물질로 SiOC:H, SiOC, SiOF, Siloxane SOG, Silicate SOG, HSQ, MSQ, HOSP, LOSP, FSG 중 임의의 어느 하나의 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법
- 제 1 항에 있어서상기 저유전율의 유기 절연물질층 식각시 CxHy 및 N2/H2베이스의 가스 케미스트리를 사용하여 진행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법
- 제 1 항에 있어서상기 DUV 감광막에 대한 저 유전율의 유기 절연층의 선택도는 2∼5 가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법
- 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서상기 DUV 감광막에 대한 저 유전율의 유기 절연층의 선택도를 증가시키기 위해 상기 저 유전율의 유기 절연층 식각시 C3F8, C4F8, C5F8, 등의 CxFy 가스 및 C2HF5등의 HFC 가스를 첨가시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법
- 제 1 항에 있어서상기 저 유전율의 무기 절연층 식각시 CxFy/CO/N2/Ar 가스 케미스크리를 이용한 플라즈마 건식 식각 방법으로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
- 제 1 항에 있어서상기 후처리 공정은 ACT 970, EKC 640, ST 250 등 저 유전율의 물질에 적용할 수 있는 습식 케미칼을 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법
- 제 1 항에 있어서상기 메탈 캐핑층으로 사용된 질화막 식각시 CF4/CHF3/Co/Ar 가스를 사용한 플라즈마 건식식각 방법으로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법
- 제 1 항 또는 제 9 항에 있어서상기 메탈 캐핑층으로 사용된 질화막 식각시 하부층인 메탈층의 손상을 적게하기 위해 바이어스 파워를 100∼300W 로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의금속배선 형성방법
- 제 1 항에 있어서상기 메탈 캐핑층으로 질화막 대신 SiC 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법
- 제 11 항에 있어서,상기 메탈 캐핑층으로 SiC 물질을 사용할 경우, SiC 층 식각시 CF4/CHF3/CO/Ar 가를 사용한 플라즈마 건식식각으로 진행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
- 제 1 항에 있어서상기 하드 마스크 질화막 식각시 C4F8/CH3F/O2/CO 가스 케미스트리를 사용하여 DUV 감광막에 대한 질화막의 선택도를 최대화시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법
- 제 1 항에 있어서상기 하드 마스크 질화막 대신 저유전율의 무기 절연물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법
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