KR20040066999A - 반도체 소자의 듀얼 다마신 배선 패턴 형성방법 - Google Patents

Abstract

하드 마스크를 이용하여 듀얼 다마신 공정을 수행하는 반도체 소자의 제조분야에서, 배선분리를 위한 평탄화 공정 후에 발생가능한 노드 분리불량을 방지하기 위하여 개선된 반도체 소자의 듀얼 다마신 배선 패턴 형성방법이 개시된다. 그러한 방법은 비아 1차 개구를 확장하는 2차 개구를 트렌치 타입으로 형성한 후, 비아 식각 방지막의 오픈전에, 상기 2차 개구가 형성된 층간 유전막의 상부 깍임 부분을 보상하기 위한 캡핑막을 형성하는 공정을 더 포함함을 특징으로 한다.

Description

반도체 소자의 듀얼 다마신 배선 패턴 형성방법{method for forming dual damascene wiring pattern in semiconductor device}

본 발명은 반도체 소자 제조에 관한 것으로, 특히 듀얼 다마신 배선 패턴 형성방법에 관한 것이다.

본 분야에서 딥 서브 마이크론(deep sub-micron) 이하의 크기를 갖는 집적회로 소자에서 듀얼 다마신 기술(dual damascene technique)을 이용한 배선 구조가 널리 알려져 있다. 통상적인 듀얼 다마신 공정은 비아 홀의 식각 후에 수행되는 트렌치 포토(trench photo)공정에서 미스 얼라인(mis-align)이 발생하더라도 1차 개구(opening)인 비아 사이즈가 그대로 유지되어지는 장점을 갖는다.

그러한 듀얼 다마신 기술 중에서 최근에 사용되고 있는 하드 마스크를 이용한 듀얼 다마신 공정의 흐름을 보인 단면도들은 도 1a 내지 도 1f에 도시되어 있다.

도면들 중 하드 마스크 트렌치 포토(photo)공정 및 식각 직전 공정을 나타내는 도 1a를 참조하면, 제1 하드마스크 막(12)의 상부에 포토레지스트 막(14)이 패터닝된 것이 보여진다. 상기 제1 하드마스크 막(12)의 하부에는 상기 제1 하드마스크 막(12)과는 식각 선택비가 다른 제2 하드마스크 막(10)이 형성되어 있다. 상기 제2 하드마스크 막(10)이 형성되기 이전까지의 공정 순서는 다음과 같다.

반도체 소자들이 형성된 기판의 일부에 전기적 연결층인 구리 층이 형성되고, 상기 기판의 상부 및 구리층의 상부에는 비아 에치 스톱퍼인 식각 방지막(2) 및 수소화된 옥시탄화규소(SiOC:H)계열의 층간 유전막(IMD:4))이 형성된 후, 트렌치 에치 스톱퍼인 식각 방지막(6), 및 수소화된 옥시탄화규소 계열의 물질로 이루어진 층간 유전막(8)이 차례로 형성된다. 상기 도 1a의 결과물에 대하여 식각을 진행하면 상기 포토레지스트 막(14)에 의해 노출된 상기 제1 하드마스크 막(12)이 제거된다. 상기 제1 하드마스크 막(12)의 식각 후, 잔존 포토레지스트 막(14)을 제거한 후 다시 포토레지스트 막(16)을 전체적으로 도포하고 비아 홀 패턴을 형성하면 도 1b와 같은 결과물이 얻어진다. 상기 도 1b의 결과물에 대하여 트렌치 에치 스톱퍼인 식각 방지막(6)까지 비아 식각을 하면 도 1c에서 보여지는 바와 같이 1차 개구(18)가 형성된다. 이후 상기 잔존 포토레지스트 막(16)을 제거한 후, 상기 제1 하드마스크 막(12)을 식각 마스크로 하여 제2 하드마스크 막(10)을, 별도의 포토레지스트 공정을 실시함이 없이, 식각하면 도 1d와 같은 결과물이 얻어진다. 상기 도 1d의 결과물에 대하여 하드 마스크만을 이용하여 트렌치 식각 및 애싱 공정을 수행하면 도 1e와 같이 2차 개구(20)가 형성된다. 이후에 비아 에치 스톱퍼인 식각 방지막(2)을 오픈시키면 도 1f와 같은 구조가 완성된다.

여기서, 도 1f의 참조부호(PB)로서 표시된 부분을 전자사진 현미경으로 관찰 시 도 2와 같이 하드 마스크의 식각 손상에 기인한 깍임(facet)현상이 최상부에 발생된다. 결국, 제1 하드마스크 막(12)과 제2 하드마스크 막(10)을 식각마스크로 사용하여 도 1f의 제1 차 개구(18)및 제2 차 개구(20)를 형성하면, 제2차 개구(20)의 최상부를 이루는 층간 유전막(8)의 끝부분이 뾰족한 형상을 가지게 된다.

고집적화에 따라 콘택 홀들의 간격이 축소되면서 상기 깍임 현상은 다마신 공정을 완료하고나서 노드 분리를 위한 씨엠피 공정에서 노드(node) 분리 불량을 유발한다. 즉, 상기 도 2의 제1 차 개구(18)및 제2 차 개구(20)에 전극물질 예컨대 구리를 채운 다음에 평탄화 공정을 진행하면 인접 전극 노드간에는 분리가 용이하게 되지 못하여 상부 평면에서는 도 3과 같은 형상을 이루게 되는 것이다.

결국, 종래의 듀얼 다마신 패턴 형성공정에서 하드 마스크를 이용한 식각공정의 수행은 하드 마스크의 에로젼(erosion)을 유발하여 측면 깍임현상이 나타나게 함에 의해, 노드 분리 취약의 문제점을 초래한다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 해소할 수 있는 개선된 반도체 소자 배선형성 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 하드 마스크를 이용하여 듀얼 다마신 배선 패턴을 형성하는 경우에 노드 분리불량을 최소화 또는 줄일 수 있는 개선된 듀얼 다마신 배선 패턴 형성방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 낮은 유전상수를 가지며 수소화된 옥시탄화규소 계열의 물질을 층간 유전막으로 사용하고 하드 마스크를 이용하여 듀얼 다마신 배선 패턴을 형성할 경우에 층간 유전막의 깍임 부분을 보상할 수 있는 듀얼 다마신 배선 패턴 형성방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 식각 선택비가 서로 다른 제1,2 하드 마스크를 사용하여 듀얼 다마신 배선 패턴을 형성할 경우에 하드 마스크의 식각손상에 기인한 패싯 부분을 커버하여 평탄화 공정 후의 노드 분리를 최적으로 행할 수 있는 듀얼 다마신 배선 패턴 형성방법을 제공함에 있다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 일양상(an aspect)에 따라, 듀얼 다마신 배선 패턴 형성방법은, 제1,2 하드 마스크를 사용하여 듀얼 다마신 배선 패턴을 형성하기 위해 비아 1차 개구를 확장하는 2차 개구를 트렌치 타입으로 형성한후, 비아 식각 방지막의 오픈전에, 상기 2차 개구가 형성된 층간 유전막의 상부 깍임 부분을 보상하기 위한 캡핑막을 형성하는 공정을 구비함을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 양상에 따른 듀얼 다마신 배선 패턴 형성방법은, 듀얼 다마신을 위한 트렌치 식각 후에 플라즈마 증대 화학기상증착법으로 캡핑층을 형성하여 상기 트렌치 개구가 형성된 층간 유전막의 상부 깍임 부분이 보상되도록 하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 캡핑층의 형성에서 스텝 커버리지는 불량한 특성이 나타나도록 하며, 상부 코너의 두께가 약 100 내지 2000옹그스트롱(Å)의 범위에 있도록 증착공정을 제어하는 것이 좋다. 상기 캡핑층의 막질은 산화막, 질화막, 카바이드 막등이 될 수 있다. 이 경우에 캡핑층의 형성시 플라즈마를 이용하여 표면처리를 행하는 것도 고려할 수 있다.

도 1a 내지 도 1f는 종래기술에 따른 듀얼 다마신 공정의 흐름을 보인 단면도들

도 2 및 도 3은 종래기술에 따른 패싯 현상 발생 및 노드 분리불량을 설명하기 위해 제시된 전자사진 현미경 사진들

도 4a는 본 발명의 실시예에 따라 캡핑막을 형성한 후의 듀얼 다마신 배선 패턴의 단면을 보인 도면

도 4b 내지 도 4e는 도 4a의 캡핑막 형성에 따라 하드 마스크 패싯 부분이 보상되는 것을 보여주는 전자사진 현미경 사진들

이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 다마신 배선 패턴 형성방법에 대한 바람직한 실시 예들이 첨부된 도면들을 참조하여 설명된다. 비록 다른 도면에 표시되어 있더라도 동일내지 유사한 기능을 수행하는 막들은 동일한 참조부호로서 나타나 있다. 본 실시예의 설명에서 제1층의 상부에 제2층이 형성되어 있다는 의미는 제1층의 상부에 직접적으로 제2층이 형성됨은 물론, 제1층의 상부에 어떤 물질층을 개재하여 제2층이 위치되어 있다는 것 까지도 포함함을 주목(note)하라.

도 4a는 본 발명의 실시예에 따라 캡핑막을 형성한 후의 듀얼 다마신 배선패턴의 단면을 보인 도면이다.

반도체 소자들이 형성된 기판(100)의 일부에 전기적 연결층인 구리 층(1)이 형성되고, 상기 기판의 상부 및 구리층의 상부에는 비아 에치 스톱퍼인 식각 방지막(2) 및 저 유전물질로 된 층간 유전막(IMD:4))이 형성된 후, 트렌치 에치 스톱퍼인 식각 방지막(6), 및 저 유전 물질로 이루어진 층간 유전막(8)이 차례로 형성되어 있다. 또한, 상기 층간 유전막(8)의 상부에 형성된 하드마스크 막(11)의 상부에는 본 발명에 따른 캡핑막(30)이 형성된 것이 보여진다. 여기서, 상기 캡핑막(30)은 상기 하드 마스크 막(11)을 이용한 트렌치 식각공정의 진행 후에 형성되는 것으로서, 상부 코너의 두께가 약 150 내지 1500옹그스트롱(Å)의 범위내에 있도록, 플라즈마 증대 화학기상증착법(PECVD)으로 약 10초 정도 진행된다. 이에 따라, 하드 마스크막(11)의 에지부분 및 상기 트렌치 개구가 형성된 층간 유전막의 상부 깍임 부분이 보상된다.

상기 캡핑층의 형성공정에서, 스텝 커버리지는 불량한 특성이 도 4b에서와 같이 나타나는데 본 발명에서는 오히려 그러한 특성을 이용한다. 여기서, 상기 캡핑층의 막질은 산화막, 질화막, 또는 카바이드 막들중 선택된 하나의 막일 수 있다. 또한, 캡핑층(30)의 형성시 플라즈마를 이용하여 표면처리를 행하는 표면처리 공정을 더 포함할 수 있다. 상기 표면처리 공정에서 산소, 질소, 암모니아, 헬륨, 수소 중의 선택된 하나가 플라즈마 소오스 가스로서 사용될 수 있다.

도 4b 내지 도 4e는 도 4a의 캡핑막 형성에 따라 하드 마스크 패싯 부분이 보상되는 것을 참고로 보여주는 전자사진 현미경 사진들이다. 도 4b에서는 비아 패턴에 스텝 커버리지가 불량하도록 PECVD 방법으로 캡핑층을 형성한 단면이 나타나 있다. 도면에서 보여지는 바와 같이 비아의 측벽과 하부에는 거의 증착이 되지 않는 반면에 상부 표면과 상부 모서리 부분은 상대적으로 많이 증착된 것을 알 수 있다. 도 4c 내지 도 4e에는 도 4b에서와 같은 방법으로 캡핑막을 형성한 후의 단면사진이 나타나 있는데, 이를 통해 패싯이 개선된 정도가 보여진다.

결국, 하드 마스크를 이용하여 배선 패턴을 형성하는 듀얼 다마신 공정에 본 발명을 적용할 경우에 패싯이 있는 상부 코너 부근에서 캡핑막의 증착이 가장 많으므로 패싯현상이 보상되는 동시에 비아의 측벽에는 거의 증착이 되지 않아 비아 프로파일을 그대로 유지시키는 것이 가능하게 된다. 따라서, 패싯현상의 발생으로 인한 노드 분리불량을 방지 또는 최소화 할 수 있게 된다.

상기 도 4a의 캡핑층 형성 후에는 도 1f의 에치스톱퍼 층의 오픈공정이 수행되며, 이후에는 비아 및 트렌치 개구들 내에 상기 구리층(1)과 전기적으로 접촉될 금속층 예컨대 구리를 채우는 필링(채움)공정이 수행될 수 있다.

상기한 설명에서는 본 발명의 실시 예를 위주로 도면을 따라 예를 들어 설명하였지만, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 또는 변경할 수 있음은 본 발명이 속하는 분야의 당업자에게는 명백한 것이다. 예를 들어, 막질의 두께 및 공정의 세부적인 조건들은 사안에 따라 다양하게 변화 또는 변경될 수 있을 것이다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면 하드 마스크를 사용하여 듀얼 다마신 배선 패턴을 형성할 경우에 하드 마스크 또는 트렌치 개구가 형성된 층간 유전막의 상부 깍임 부분을 캡핑막으로써 보상함에 의해 노드 분리 불량문제를 방지 또는 최소화하는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 제1,2 하드 마스크를 사용하여 듀얼 다마신 배선 패턴을 형성하는 방법에 있어서, 비아 1차 개구를 확장하는 2차 개구를 트렌치 타입으로 형성한 후, 비아 식각 방지막의 오픈전에, 상기 2차 개구가 형성된 층간 유전막의 상부 깍임 부분을 보상하기 위한 캡핑막을 형성하는 공정을 포함함을 특징으로 하는 듀얼 다마신 배선 패턴 형성방법.
2. 듀얼 다마신 배선 패턴 형성방법에 있어서, 듀얼 다마신을 위해 하드 마스크를 이용하여 트렌치 식각공정의 진행 후에 플라즈마 증대 화학기상증착법으로 캡핑층을 형성하여 상기 트렌치 개구가 형성된 층간 유전막의 상부 깍임 부분이 보상되도록 하는 것을 특징으로 하는 듀얼 다마신 배선 패턴 형성방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 캡핑층의 형성에서 스텝 커버리지는 불량한 특성이 나타나도록 하는 것을 특징으로 하는 듀얼 다마신 배선 패턴 형성방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 캡핑층은 상부 코너의 두께가 약 150 내지 1500옹그스트롱(Å)의 범위로 증착됨을 특징으로 하는 듀얼 다마신 배선 패턴 형성방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 캡핑층의 막질은 산화막, 질화막, 또는 카바이드 막들중 선택된 하나의 막임을 특징으로 하는 듀얼 다마신 배선 패턴 형성방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 캡핑층의 형성시 플라즈마를 이용하여 표면처리를 행하는 표면처리 공정을 더 포함함을 특징으로 하는 듀얼 다마신 배선 패턴 형성방법.