KR20060005502A - 반도체 소자의 배선 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 목적은 듀얼 다마신 공정에 의한 구리 배선 형성 시, 콘택홀과 배선홀을 포함하는 다마신 패턴의 CD를 균일하게 확보하여 배선 신뢰성을 향상시키는 것이다.
본 발명의 목적은 반도체 기판 상에 기판을 일부 노출시키는 콘택홀을 구비한 제 1 층간절연막을 형성하는 단계; 콘택홀을 매립하도록 제 1 층간절연막 상에 포토레지스트막을 형성하는 단계; 제 1 층간절연막이 노출되도록 포토레지스트막을 제거함과 동시에 콘택홀 내부에 잔류하는 포토레지스트막 표면에 리세스를 형성하는 단계; 포토레지스트막이 노출되도록 제 1 층간절연막을 제거하여 리세스를 완전히 제거하는 단계; 제 1 층간절연막 상에 포토레지스트막과 그 주변의 제 1 층간절연막을 일부 노출시키는 배선홀을 구비한 제 2 층간절연막을 형성하는 단계; 및 포토레지스트막을 제거하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 배선 형성방법에 의해 달성될 수 있다.
다마신 공정, 구리, 배선, 포토레지스트막, 리세스, CD
Description
도 1a 내지 도 1e는 종래 반도체 소자의 배선 형성방법을 설명하기 위한 순차적 공정 단면도.
도 2a 및 도 2b는 종래 배선 형성 시 패턴밀도가 높은 영역과 낮은 영역에서 콘택홀에 잔류하는 포토레지스트막에 발생된 리세스를 나타낸 도면.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 배선 형성방법을 설명하기 위한 순차적 공정 단면도.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
30 : 반도체 기판 31 : 하부 층간절연막
32 : 하부배선
33, 37 : 제 1 및 제 2 식각정지막
34, 38 : 제 1 및 제 2 층간절연막
35 : 포토레지스트막 36 : 리세스
39 : 배선홀 40 : 다마신 패턴
41 : 상부배선
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히 반도체 소자의 배선 형성방법에 관한 것이다.
일반적으로, 배선 기술은 집적회로(Integrated Circuit; IC)에서 트랜지스터의 상호 연결회로, 전원공급 및 신호전달의 통로를 구현하는 기술을 말한다.
이러한 배선 재료로 주로 알루미늄(Al)을 사용하였지만, 반도체 소자의 고집적화 및 고속화 추세에 따른 선폭 감소로 인해 배선 및 콘택 저항이 증가하고 일렉트로마이크레이션(ElectroMigration; EM) 등의 문제가 야기되면서, 구리(Cu) 배선에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
구리는 알루미늄에 비해 약 62%의 낮은 저항을 가질 뿐만 아니라 EM에 대한 저항성이 커서 고집적 및 고속 소자에서 우수한 배선 신뢰성을 얻을 수 있다.
반면, 알루미늄과는 달리 건식식각이 불가능하기 때문에, 층간절연막에 콘택홀 및 배선홀을 포함하는 다마신 패턴을 형성하는 듀얼 다마신(dual damascene) 공정에 의해 배선을 형성하여야 한다.
이러한 종래 배선 형성방법을 도 1a 내지 도 1e를 참조하여 설명한다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 상부에 하부 층간절연막(11)에 의해 서로 절연된 하부배선(12)이 형성되어 있는 반도체 기판(10) 상에, 제 1 식각정지막(13)과 제 1 층간절연막(14)을 순차적으로 증착한다.
제 1 식각정지막(13)은 제 1 층간절연막(14)에 대하여 식각선택비가 우수한 막으로서, 바람직하게는 SiN 등의 질화막으로 이루어질 수 있고, 제 1 층간절연막 (14)은 SiH4 소오스 가스에 의한 SiO2 등의 산화막으로 이루어질 수 있다.
그 다음, 포토리소그라피 및 식각공정에 의해 제 1 층간절연막(14)과 제 1 식각정지막(13)을 순차적으로 패터닝하여, 하부배선(12)을 일부 노출시키는 콘택홀을 형성한다. 그 후, 콘택홀을 매립하도록 제 1 층간절연막(14) 상에 포토레지스트막(15)을 형성한다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 제 1 층간절연막(14)이 노출되도록 제 1 층간절연막(14) 상의 포토레지스트막(15)을 에치백(etch-back)한다. 이때, 콘택홀 내부에 잔류하는 포토레지스트막(15)이 일부 제거되어 그 표면에 리세스(recess; 16)가 형성된다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 리세스(16)를 매립하도록 제 1 층간절연막(14) 상에 제 2 식각정지막(17)을 증착하고, 제 2 식각정지막(17) 상에 제 2 층간절연막 (18)을 증착한다.
제 2 식각정지막(17)과 제 2 층간절연막(18)은 제 1 식각정지막(13) 및 제 1 층간절연막(14)과 마찬가지로, SiN 등의 질화막과 SiH4 소오스 가스에 의한 SiO2 등의 산화막으로 각각 이루어질 수 있다.
그 다음, 포토리소그라피 및 식각공정에 의해 제 2 층간절연막(18)을 패터닝하여, 포토레지스트막과 그 주변의 제 2 식각정지막(17)을 일부 노출시키면서 콘택홀보다 크기가 큰 배선홀(19)을 형성한다.
도 1d에 도시된 바와 같이, 노출된 제 2 식각정지막(17)과 포토레지스트막 (15)을 순차적으로 제거하여, 콘택홀과 배선홀(19)을 포함하는 다마신 패턴(20)을 형성한다.
도 1e에 도시된 바와 같이, 다마신 패턴(20)을 매립하도록 제 2 층간절연막 (18) 상에 전기도금법에 의해 구리막을 증착한다.
이때, 도시되지는 않았지만, 구리막과 제 2 층간절연막(18) 사이에 구리의 확산을 억제하도록 확산방지막을 개재할 수 있다.
그 후, 화학기계연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP)에 의해 구리막을 분리시켜 하부배선(12)과 콘택하는 상부배선(21)을 형성함과 동시에 표면을 평탄화한다.
한편, 포토레지스트막(15)의 에치백 후 발생되는 리세스(16) 깊이는 후속 배선홀(19) 형성을 위한 포토리소그라피 공정에 영향을 미쳐 배선홀(19)의 임계치수(Critical Dimension; CD)를 좌우하므로, 다마신 패턴(20)의 CD 균일성(uniformity)을 확보하기 위해서는 리세스(16) 깊이를 균일하게 형성하는 것이 주용하다.
그런데, 웨이퍼 상에서 패턴밀도가 높은 영역과 패턴밀도가 상대적으로 낮은 영역 사이에서는 에치백 등의 식각 공정시 식각속도 차이가 발생하게 된다.
이에 따라, 포토레지스트막(15)의 에치백 후, 도 2a와 같이 패턴밀도가 높은 영역에서는 리세스(16)가 깊게 형성되는 반면, 도 2b와 같이 패턴밀도가 낮은 영역에서는 리세스(16)가 얕게 형성되어, 리세스(16) 깊이차가 발생하게 된다.
그 결과, 패턴밀도가 높은 영역에서는 다마신 패턴(20)의 CD가 커지고, 패턴밀도가 낮은 영역에서는 다마신 패턴(20)의 CD가 작아지는 CD 불균일이 야기되어, 배선의 신뢰성 저하를 초래하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 듀얼 다마신 공정에 의한 구리 배선 형성 시, 콘택홀과 배선홀을 포함하는 다마신 패턴의 CD를 균일하게 확보하여 배선 신뢰성을 향상시키는데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적은 반도체 기판 상에 기판을 일부 노출시키는 콘택홀을 구비한 제 1 층간절연막을 형성하는 단계; 콘택홀을 매립하도록 제 1 층간절연막 상에 포토레지스트막을 형성하는 단계; 제 1 층간절연막이 노출되도록 포토레지스트막을 제거함과 동시에 콘택홀 내부에 잔류하는 포토레지스트막 표면에 리세스를 형성하는 단계; 포토레지스트막이 노출되도록 제 1 층간절연막을 제거하여 리세스를 완전히 제거하는 단계; 제 1 층간절연막 상에 포토레지스트막과 그 주변의 제 1 층간절연막을 일부 노출시키는 배선홀을 구비한 제 2 층간절연막을 형성하는 단계; 및 포토레지스트막을 제거하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 배선 형성방법에 의해 달성될 수 있다.
이하, 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 더 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.
도 3a 내지 도 3f를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 배선 형성방법을 설명한다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 하부 층간절연막(31)에 의해 서로 절연된 하부배선(32)이 형성되어 있는 반도체 기판(30) 상에, 제 1 식각정지막(33)과 제 1 층간절연막(34)을 순차적으로 증착한다.
제 1 식각정지막(33)은 제 1 층간절연막(34)에 대하여 식각선택비가 우수한 막으로서, 바람직하게는 SiN 등의 질화막으로 이루어질 수 있고, 제 1 층간절연막 (34)은 SiH4 소오스 가스에 의한 SiO2 등의 산화막으로 이루어질 수 있다.
그 다음, 포토리소그라피 및 식각공정에 의해 제 1 층간절연막(34)과 제 1 식각정지막(33)을 순차적으로 패터닝하여, 하부배선(32)을 일부 노출시키는 콘택홀을 형성한다. 그 후, 콘택홀을 매립하도록 제 1 층간절연막(34) 상에 포토레지스트막(35)을 형성한다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 제 1 층간절연막(34)이 노출되도록 제 1 층간절연막(34) 상의 포토레지스트막(35)을 에치백(etch-back)한다. 이때, 콘택홀 내부에 잔류하는 포토레지스트막(35)이 일부 제거되어 그 표면에 리세스(recess; 16)가 형성된다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 포토레지스트막(35)이 노출되도록 포토레지스트막(35) 상의 제 1 층간절연막(34)을 에치백하여 리세스(36)를 완전히 제거함으로써 표면을 평탄화한다. 즉, 산화막과 포토레지스트막은 약 5 : 1 내지 10 : 1 정도의 식각선택비를 가지므로 에치백에 의해 제 1 층간절연막(34)만을 선택적으로 용이하게 제거할 수 있다.
이때, 에치백은 C4F8 등의 CF 계열의 가스와 CO/O2/Ar 가스의 혼합 가스를 이용한 건식식각으로 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 식각장비로는 TEL(Tokyo Electronic Ltd)사의 산화막 식각장비를 이용하는데, 이 경우 식각장비의 헤드(head)와 기판(웨이퍼) 사이의 간격(gap)은 약 25m㎜로 조절하고, 압력은 약 30mtorr로, 전력은 약 1700W로 각각 조절하며, C4F8
, CO, O2, Ar 가스의 유량은 각각 12sccm, 300sccm, 50sccm, 8sccm 으로 조절한다.
도 3d에 도시된 바와 같이, 평탄화된 기판 전면 상에 제 2 식각정지막(37)과 제 2 층간절연막(38)을 순차적으로 증착한다.
제 2 식각정지막(37)과 제 2 층간절연막(38)은 제 1 식각정지막(33) 및 제 1 층간절연막(34)과 마찬가지로, SiN 등의 질화막과 SiH4 소오스 가스에 의한 SiO2 등의 산화막으로 각각 이루어질 수 있다.
그 다음, 포토리소그라피 및 식각공정에 의해 제 2 층간절연막(38)과 제 2 식각정지막(37)을 순차적으로 패터닝하여, 포토레지스트막(35)과 그 주변의 제 1 층간절연막(34)을 일부 노출시키면서 콘택홀보다 크기가 큰 배선홀(39)을 형성한다.
도 3e에 도시된 바와 같이, 포토레지스트막(35)을 제거하여 콘택홀 및 배선홀(39)을 포함하는 다마신 패턴(40)을 형성한다.
도 3f에 도시된 바와 같이, 다마신 패턴(40)을 매립하도록 제 2 층간절연막 (38)에 전기도금법에 의해 구리막을 증착한다.
이때, 도시되지는 않았지만, 구리막과 제 2 층간절연막(38) 사이에 구리의 확산을 억제하도록 확산방지막을 개재할 수 있다.
그 후, CMP에 의해 구리막을 분리시켜 하부배선(32)과 콘택하는 상부배선 (41)을 형성함과 동시에 표면을 평탄화한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 포토레지스트막의 에치백 후 발생되는 리세스를 제거하여 패턴밀도가 높은 영역과 낮은 영역 간의 리세스 깊이차가 발생되지 않도록 한다.
이에 따라, 다마신 패턴의 CD 균일성을 확보할 수 있으므로, 배선의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
Claims (6)
- 반도체 기판 상에 상기 기판을 일부 노출시키는 콘택홀을 구비한 제 1 층간절연막을 형성하는 단계;상기 콘택홀을 매립하도록 상기 제 1 층간절연막 상에 포토레지스트막을 형성하는 단계;상기 제 1 층간절연막이 노출되도록 상기 포토레지스트막을 제거함과 동시에 콘택홀 내부에 잔류하는 포토레지스트막 표면에 리세스를 형성하는 단계;상기 포토레지스트막이 노출되도록 제 1 층간절연막을 제거하여 상기 리세스를 완전히 제거하는 단계;상기 제 1 층간절연막 상에 상기 포토레지스트막과 그 주변의 제 1 층간절연막을 일부 노출시키는 배선홀을 구비한 제 2 층간절연막을 형성하는 단계; 및상기 포토레지스트막을 제거하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 배선 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 반도체 기판과 제 1 층간절연막 사이 및 상기 제 1 층간절연막과 제 2 층간절연막 사이에 제 1 및 제 2 식각정지막을 더 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 배선 형성방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 제 1 및 제 2 층간절연막은 각각 산화막으로 이루어지고, 제 1 및 제 2 식각정지막은 각각 질화막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 배선 형성방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 리세스를 제거하는 단계는CF 계열의 가스와 CO/O2/Ar 가스의 혼합가스를 이용한 건식식각 공정으로 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 배선 형성방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 CF 계열의 가스로 C4F8 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 배선 형성방법.
- 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,상기 건식식각 장비로는 TEL 사의 산화막 식각장비를 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 배선 형성방법.
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