KR20050064661A - 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것으로, 유전상수 값이 낮은 절연물질로 절연막을 형성하고 절연막에 다마신 패턴을 형성한 후, 다마신 패턴 내부에 금속 배선을 형성한다. 이어서, 절연막을 제거하고 다시 전체 구조 상에 유전상수 값이 낮은 절연물질로 절연막을 형성한 후 평탄화함으로써, 절연 물질의 카본 결핍(Carbon depletion)이 발생하는 것을 억제하여 소자의 동작 속도가 낮아지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 금속 배선을 형성한 후 절연막을 다시 형성하므로 장벽 금속층과 절연물질의 계면 반응으로 인하여 보이드가 발생되는 것을 방지할 수 있다. 뿐만 아니라, 그리고, 금속 배선을 형성하기 위한 식각 공정이나 감광막 제거 공정이 완료된 후에 절연막을 형성하므로, 식각 공정이나 감광막 제거 공정의 공정 조건을 설정하기가 용이하다.
Description
본 발명은 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것으로, 특히 공정의 재현성을 확보하고 소자의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것이다.
CMOS 소자의 동작 속도는 주로 게이트 길이(Gate length)를 줄여 게이트 지연 시간(Gate delay time)을 줄이는 것에 의존하여 왔으나, 집적화 될수록 다층으로 형성된 금속 배선 사이의 RC 지연 시간이 소자의 동작 속도를 좌우하고 있다.
이러한 RC 지연을 줄이기 위하여 저항이 낮은 구리로 금속 배선을 형성하고, 유전상수 값이 낮은 물질로 층간 절연막을 형성하고 있다. 그러나, 구리배선은 일반적인 식각물질로는 식각이 거의 되지 않는 문제점으로 인하여, 층간절연막에 비아홀과 트렌치를 먼저 형성한 후 구리를 매립하고 평탄화를 시키는 듀얼 다마신 공정이 적용되고 있다. 듀얼 다마신 공정을 적용하기 위해서는 층간 절연막을 제1 절연막, 식각 정지층 및 제2 절연막의 적층 구조로 형성해야 하며, 상부의 제2 절연막에 트렌치가 형성되고 하부의 제1 절연막에 비아홀이 형성된다.
이렇게 비아홀과 트렌치를 형성하는 과정에서 플라즈마 식각 공정이 실시되는데, 이때 사용되는 산소로 인하여 저유전 상수값을 갖는 절연 물질의 카본 결핍(Carbon depletion)이 발생하고, 세정 공정 시 화학제의 손상으로 인하여 배선 사이의 기생 커패시턴스가 증가하여 소자의 동작 속도 낮아지는 문제점이 발생된다.
한편, 듀얼 다마신 패턴을 금속 물질(예를 들면, 구리)로 매립하고 어닐링 공정으로 금속 물질을 재결화하는 과정에서, 금속 물질의 확산을 방지하기 위하여 형성된 장벽 금속층과 절연물질의 계면 반응으로 인하여 보이드가 발생되고 공정의 신뢰성 및 소자의 전기적 특성이 저하된다.
그리고, 저유전상수 값을 갖는 절연물질의 붕괴(Degradation)로 인하여 식각 공정이나 감광막 제거 공정의 공정 조건을 설정하기가 어렵다.
이에 대하여, 본 발명이 제시하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법은 유전상수 값이 낮은 절연물질로 절연막을 형성하고 절연막에 다마신 패턴을 형성한 후, 다마신 패턴 내부에 금속 배선을 형성한다. 이어서, 절연막을 제거하고 다시 전체 구조 상에 유전상수 값이 낮은 절연물질로 절연막을 형성한 후 평탄화함으로써, 절연 물질의 카본 결핍(Carbon depletion)이 발생하는 것을 억제하여 소자의 동작 속도가 낮아지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 금속 배선을 형성한 후 절연막을 다시 형성하므로 장벽 금속층과 절연물질의 계면 반응으로 인하여 보이드가 발생되는 것을 방지할 수 있다. 뿐만 아니라, 그리고, 금속 배선을 형성하기 위한 식각 공정이나 감광막 제거 공정이 완료된 후에 절연막을 형성하므로, 식각 공정이나 감광막 제거 공정의 공정 조건을 설정하기가 용이하다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법은 반도체 기판 상에 확산 방지막, 희생 절연막 및 캡핑층을 순차적으로 형성하는 단계와, 희생 절연막에 다마신 패턴을 형성하는 단계와, 다마신 패턴 내부에 금속층을 형성하는 단계와, 희생 절연막을 제거하는 단계, 및 금속층 사이의 공간을 절연막으로 매립하는 단계를 포함한다.
상기에서, 희생 절연막 또는 절연막은 유기계 절연물을 회전도포 방법으로 증착하여 형성할 수 있다. 유기계 절연막은 O2 또는 N2 가스로 식각 가능한 유기계 절연막인 것이 바람직하다.
다마신 패턴은 CF4/O2/Ar 가스를 이용한 플라즈마 식각 공정으로 제거할 수 있으며, 플라즈마 식각 공정 시 N2 가스를 더 공급할 수 있다. 또한, 플라즈마 식각 공정 시 H2 또는 NH3가 더 공급될 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위는 본원의 특허 청구 범위에 의해서 이해되어야 한다.
한편, 어떤 막이 다른 막 또는 반도체 기판의 '상'에 있다라고 기재되는 경우에 상기 어떤 막은 상기 다른 막 또는 반도체 기판에 직접 접촉하여 존재할 수 있고, 또는 그 사이에 제3의 막이 개재되어질 수도 있다. 또한 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1a 내지 도 1g는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도들이다.
도 1a를 참조하면, 금속 배선을 포함한 여러 요소(도시되지 않음)가 형성된 반도체 기판(101) 상에 확산 방지막(102), 희생 절연막(103) 및 캡핑층(104)을 순차적으로 형성한다.
확산 방지막(102)은 질화물로 형성할 수 있으며, 300Å 내지 500Å의 두께로 형성할 수 있다. 희생 절연막(103)은 폴리머 계열의 SILK와 같이 유전상수 값이 낮고 O2 또는 N2 가스로 식각 가능한 유기계 절연물을 회전도포 방법으로 증착하여 형성할 수 있으며, 증착 두께는 3000Å 내지 5000Å으로 설정할 수 있다. 캡핑층(104)은 옥사이드로 형성할 수 있으며, 300Å 내지 500Å으로 형성할 수 있다.
도 1b를 참조하면, 식각 공정으로 희생 절연막(103)의 소정 영역을 식각하여 다마신 패턴(105)을 형성한다. 다마신 패턴(105)은 비아홀이 될 수도 있고 트렌치가 될 수도 있다.
이때, 식각 공정은 CF4/O2/Ar 가스를 이용한 플라즈마 식각 방식으로 실시할 수 있다. 희생 절연막(103)은 다량의 카본(Carbon) 성분을 포함하고 있다. 이로 인해, O2 플라즈마만으로 식각 공정을 실시하면 다마신 패턴(105) 측벽의 희생 절연막(103)에 산소계활성종에 의해 산화되면서 후속 공정에서 금속 배선을 형성하기가 어려워진다. 식각 가스로 N2 가스를 첨가한다면 다마신 패턴(105) 측벽의 희생 절연막(103)이 산화되는 것을 최소화할 수 있다. 그리고, 플라즈마 중의 활성종과 유기막의 반응성은 낮기 때문에 이방성 가공에 높은 이온 에네지도 필요하지 않고, 하드 마스크의 침식도 일어나지 않지만, 식각률이 낮다는 단점이 있다. 따라서, 식각률을 높이기 위해 H2 또는 NH3를 첨가하여 O2/N2/NH3
또는 N2/H2 가스를 이용하여 다마신 패턴(105)을 형성하면 이러한 문제점을 해결할 수 있다.
도 1c를 참조하면, 다마신 패턴(105)을 포함한 전체 구조 상에 금속층(106)을 형성한다. 이때, 금속층(106)은 구리로 형성하는 것이 바람직하다. 한편, 도면에는 도시되어 있지 않지만, 장벽 금속층(도시되지 않음)과 금속 시드층(도시되지 않음)을 먼저 형성한 후, 전기 도금법으로 금속층(106)을 형성할 수도 있다.
이렇게, 다마신 패턴(105)에 형서된 금속층(106)은 비아 플러그나 금속 배선이 될 수 있다.
도 1d를 참조하면, 희생 절연막(103) 상부의 금속층(106)을 제거하여 금속층(106)을 다마신 패턴(105)의 내부에만 잔류시킨다. 이때, 희생 절연막(103) 상부의 금속층(106)은 화확적 기계적 연마 공정으로 제거할 수 있다. 이후, 희생 절연막(103) 상부의 캡핑층(도 1c의 104)을 제거한다. 캡핑층(도 1c의 104)은 CF4/O2/Ar 가스를 이용한 플라즈마 식각 방식으로 제거할 수 있다. 이때, 캡핑층(도 1c의 104)을 제거하면서 금속층(106)에는 식각 손상이 발생되지 않도록 식각 공정의 선택비를 조절하는 것이 바람직하다.
상기의 공정들은 압력이 50mTorr 내지 70mTorr로 유지되고, 이온밀도(Ion density)가 약 1E10ion/cm3인 장비에서 실시할 수 있으며, 800W 내지 1200W의 소오스 파워와 200W 내지 300W의 바이어스 파워가 인가되고, CHF3 가스, CF4 가스, 및 O2 가스가 공급될 수 있다. 이때, CHF3 가스의 공급 유량은 10sccm 내지 20sccm으로 설정하고, CF4 가스의 공급 유량은 50sccm 내지 80sccm으로 설정하며, O2 가스의 공급 유량은 10sccm 내지 20sccm으로 설정할 수 있다.
도 1e를 참조하면, 금속층(106) 사이에 잔류하는 희생 절연막(도 1d의 103)을 제거한다. 희생 절연막(도 1d의 103)은 산소를 이용한 플라즈마 식각 방식으로 제거할 수 있다. 이때, 도 1b에서 다마신 패턴(105)을 형성하는 과정에 발생된 손상층(도시되지 않음)도 함께 제거한다. 한편, 산소를 이용한 플라즈마 식각 공정 시 금속층(106)의 표면이 산화되는 것을 방지하기 위하여 N2를 첨가할 수도 있다.
이어서, 암모늄 플로오르화물(Ammonium Fluoride) 계열의 화학제(Chemical)를 사용하여 금속층(106)의 표면에 형성된 산화물(도시되지 않음)이나 폴리머 잔류물(Polymer residue)을 제거한다.
도 1f를 참조하면, 금속층(106)을 포함한 전체 구조 상에 절연막(107)을 형성한다. 이때, 절연막(107)은 폴리머 계열의 SILK와 같이 유전상수 값이 낮고 O2 또는 N2 가스로 식각 가능한 유기계 절연물을 회전도포 방법으로 증착하여 형성할 수 있으며, 증착 두께는 금속층(106)보다 두껍게 3000Å 내지 5000Å으로 설정할 수 있다
도 1g를 참조하면, 화학적 기계적 연마 공정으로 절연막(107)을 평탄화한 후, 절연막(107) 상에 확산 방지막(108)을 다시 형성한다. 이때, 화학적 기계적 연마 공정은 금속층(106)의 상부 표면이 노출될때까지 실시할 수 있다. 한편, 확산 방지막(108)은 질화물로 형성할 수 있으며, 300Å 내지 500ÅÅ 두께로 형성할 수 있다.
이렇게, 절연막(107)이 다마신 패턴(105)을 형성하기 위한 식각 공정이 실시되고, 식각 정지층이 형성되지 않기 때문에 후속 공정에 의한 문제점이 발생되는 것을
상술한 바와 같이, 본 발명은 절연 물질의 카본 결핍(Carbon depletion)이 발생하는 것을 억제하여 소자의 동작 속도가 낮아지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 금속 배선을 형성한 후 절연막을 다시 형성하므로 장벽 금속층과 절연물질의 계면 반응으로 인하여 보이드가 발생되는 것을 방지할 수 있다. 뿐만 아니라, 그리고, 금속 배선을 형성하기 위한 식각 공정이나 감광막 제거 공정이 완료된 후에 절연막을 형성하므로, 식각 공정이나 감광막 제거 공정의 공정 조건을 설정하기가 용이하다.
도 1a 내지 도 1g는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101 : 반도체 기판 102 : 확산 방지막
103 : 희생 절연막 104 : 캡핑층
105 : 다마신 패턴 106 : 금속층
107 : 절연막 108 : 확산 방지막
Claims (6)
- 반도체 기판 상에 확산 방지막, 희생 절연막 및 캡핑층을 순차적으로 형성하는 단계;상기 희생 절연막에 다마신 패턴을 형성하는 단계;상기 다마신 패턴 내부에 금속층을 형성하는 단계;상기 희생 절연막을 제거하는 단계; 및상기 금속층 사이의 공간을 절연막으로 매립하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 희생 절연막 또는 상기 절연막은 유기계 절연물을 회전도포 방법으로 증착하여 형성하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 유기계 절연막이 O2 또는 N2 가스로 식각 가능한 유기계 절연막인 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 다마신 패턴은 CF4/O2/Ar 가스를 이용한 플라즈마 식각 공정으로 제거되는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 플라즈마 식각 공정 시 N2 가스가 더 공급되는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,상기 플라즈마 식각 공정 시 H2 또는 NH3가 더 공급되는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
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| CN104716084A (zh) * | 2013-12-12 | 2015-06-17 | 华邦电子股份有限公司 | 半导体元件的制造方法 |
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