KR20060019358A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 반도체 기판 위에 식각 정지막을 형성하는 단계, 식각 정지막 위에 층간 절연막을 형성하는 단계, 층간 절연막에 식각 정지막이 노출되는 비아홀을 형성하는 단계, 층간 절연막에 비아홀을 노출하는 트렌치를 형성하는 단계, 비아홀에 의해 노출되는 식각 정지막을 제거하는 단계를 포함하고, 식각 정지막은 CF4와 N2가스를 혼합한 기체로 건식 식각한다.A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes forming an etch stop film on a semiconductor substrate, forming an interlayer insulating film on the etch stop film, forming a via hole exposing the etch stop film on the interlayer insulating film, and forming a via hole in the interlayer insulating film. Forming an exposed trench, and removing the etch stop film exposed by the via hole, wherein the etch stop film is dry etched with a gas mixed with CF 4 and N 2 gas.

듀얼다마신, 비아홀, 트렌치Dual damascene, via hole, trench

Description

반도체 소자의 제조 방법{Manufacturing method of semiconductor device}Manufacturing method of semiconductor device

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자를 개략적으로 도시한 단면도이고,1 is a cross-sectional view schematically showing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

도 2 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 그 공정 순서대로 도시한 단면도이다.2 to 5 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention in the order of their processes.

본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다마신 구조를 가지는 반도체 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a semiconductor device having a damascene structure.

최근 반도체 소자가 집적화되고 공정 기술력이 향상되면서 소자의 동작 속도나 저항, 금속 간의 기생 용량 등의 특성을 개선시키기 위한 일환으로 기존의 알루미늄 배선 대신에 구리 배선 공정이 제안되었다. Recently, as semiconductor devices have been integrated and process technology has been improved, a copper wiring process has been proposed in place of existing aluminum wiring as part of improving characteristics of device operation speed, resistance, and parasitic capacitance between metals.

그러나 이러한 구리는 식각 특성이 매우 열악하므로 기존의 식각 공정 대신 다마신(damascene) 공정을 주로 이용하고 있다. However, since copper is very poor in etching characteristics, the damascene process is mainly used instead of the conventional etching process.

다마신 공정은 층간 절연막에 비아홀과 배선 형성을 위한 트렌치를 포함하는 듀얼 다마신 패턴을 형성한 후 듀얼 다마신 패턴에 구리를 매립하여 배선을 형성한 다. 여기서 층간 절연막은 여러 절연막으로 이루어지는 이중 하부 배선과 맞닿은 절연막으로는 질화 규소막을 형성한다. In the damascene process, a dual damascene pattern including a via hole and a trench for wiring formation is formed in an interlayer insulating layer, and then a wiring is formed by embedding copper in the dual damascene pattern. Here, the interlayer insulating film forms a silicon nitride film as the insulating film which is in contact with the double lower wiring made of various insulating films.

이런 질화 규소막을 건식 식각할 때 다량의 폴리머가 발생하고 이러한 폴리머들은 질화규소막의 식각을 방해하여 정확한 CD(critical dimension)를 가지는 듀얼 다마신 패턴을 확보하기 어려운 문제점이 있다. When dry etching such a silicon nitride film, a large amount of polymers are generated, and these polymers interfere with the etching of the silicon nitride film, thereby making it difficult to obtain a dual damascene pattern having an accurate CD (critical dimension).

정확한 패턴이 형성되지 않으면 듀얼 다마신 패턴에 구리를 매립할 때 구리 매립이 제대로 되지 않으며 이로 인해 상부 배선과 하부 배선의 접촉이 제대로 되지 않아 접촉 저항이 증가하는 문제점이 있다. If the correct pattern is not formed, when the copper is buried in the dual damascene pattern, the copper is not buried properly, which causes a problem in that the contact resistance of the upper wiring and the lower wiring is not properly contacted, thereby increasing contact resistance.

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 정확한 듀얼 다마신 패턴을 형성할 수 있는 반도체 소자의 제조 방법을 제공한다.The present invention for solving the above problems provides a method of manufacturing a semiconductor device capable of forming an accurate dual damascene pattern.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 반도체 기판 위에 식각 정지막을 형성하는 단계, 식각 정지막 위에 층간 절연막을 형성하는 단계, 층간 절연막에 식각 정지막이 노출되는 비아홀을 형성하는 단계, 층간 절연막에 비아홀을 노출하는 트렌치를 형성하는 단계, 비아홀에 의해 노출되는 식각 정지막을 제거하는 단계를 포함하고, 식각 정지막은 CF4와 N2가스를 혼합한 기체로 건식 식각한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, the method including forming an etch stop layer on a semiconductor substrate, forming an interlayer insulating layer on the etch stop layer, and forming a via hole exposing the etch stop layer on the interlayer insulating layer. The method may include forming a trench that exposes a via hole in the interlayer insulating layer, and removing the etch stop layer exposed by the via hole, wherein the etch stop layer is dry-etched with a gas mixed with CF 4 and N 2 gas.

여기서 식각 정지막을 제거하는 단계 후, 비아홀 및 트렌치가 매립되도록 금속 배선을 형성하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.Here, after removing the etch stop layer, it is preferable to further include forming a metal wiring so that the via hole and the trench are filled.

그리고 반도체 기판은 하부 금속 배선이 형성되어 있으며, 금속 배선은 비아홀 및 트렌치를 통해 하부 금속 배선과 연결하는 것이 바람직하다.In the semiconductor substrate, a lower metal wiring is formed, and the metal wiring is preferably connected to the lower metal wiring through via holes and trenches.

또한, CF4는 20~80sccm, N2는 400~600sccm으로 식각 챔버에 주입되는 것이 바람직하다.In addition, CF 4 is preferably 20 to 80 sccm, N 2 is 400 to 600 sccm injected into the etching chamber.

이때 식각 챔버의 압력은 50~100mTorr이고, 챔버의 소스 파워는 300~1,000W, 바이어스 파워는 200~500W인 것이 바람직하다.At this time, the pressure of the etching chamber is 50 ~ 100mTorr, the source power of the chamber is preferably 300 ~ 1,000W, the bias power is 200 ~ 500W.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. In the drawings, the thickness of layers, films, panels, regions, etc., are exaggerated for clarity. Like parts are designated by like reference numerals throughout the specification.

먼저, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자를 첨부된 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.First, a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.

도 1에 도시한 바와 같이, 금속 배선(12) 따위의 하부 구조가 형성되어 있는 반도체 기판(10) 위에 식각 정지막(14)이 형성되어 있고, 식각 정지막(14) 위에는 층간 절연막(16) 및 확산 방지막(18)이 형성되어 있다. 식각 정지막(14)은 SiN으로 이루어지고, 층간 절연막(16)은 FSG로 이루어지고, 확산 방지막(18)은 P-SiH4를 이용한 산화막(oxide layer)으로 이루어진다. As shown in FIG. 1, an etch stop layer 14 is formed on a semiconductor substrate 10 on which a substructure such as metal wiring 12 is formed, and an interlayer insulating layer 16 is formed on the etch stop layer 14. And the diffusion barrier 18 is formed. The etch stop layer 14 is made of SiN, the interlayer insulating layer 16 is made of FSG, and the diffusion barrier layer 18 is made of an oxide layer using P-SiH 4 .

그리고 식각 정지막(14), 층간 절연막(16) 및 확산 방지막(18)에는 상, 하부 기판의 배선 또는 회로를 연결하기 위해서 비아홀 및 트렌치에 매립된 형태의 금속 배선(20, 22)이 형성되어 있다. In the etch stop layer 14, the interlayer insulating layer 16, and the diffusion barrier 18, metal wirings 20 and 22 embedded in via holes and trenches are formed to connect wirings or circuits of upper and lower substrates. have.

금속 배선(20, 22)은 비아홀(V)과 트렌치(T)의 내벽을 따라 형성되어 있는 확산 방지막(20)과 확산 방지막에 의해 정의되는 비아홀(V)과 트렌치(T) 내부를 채우는 금속층(22)으로 이루어진다. 여기서 확산 방지막(20)은 탄탈륨 실리콘 나이트라이드(TaSiN)막으로 형성되어 있다. 그리고 금속층(22)은 저저항 금속인 구리(Cu) 등의 도전 물질로 형성되어 있다. The metal wires 20 and 22 may include a diffusion barrier layer 20 formed along the inner wall of the via hole V and the trench T and a metal layer filling the inside of the via hole V and the trench T defined by the diffusion barrier layer ( 22). The diffusion barrier 20 is formed of a tantalum silicon nitride (TaSiN) film. The metal layer 22 is made of a conductive material such as copper (Cu), which is a low resistance metal.

그러면 도 1에 도시한 반도체 소자를 본 발명의 일 실시예에 따라 제조하는 방법에 대하여 도 2 내지 도 5를 참고로 상세히 설명한다.Next, a method of manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 1 according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 5.

도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자를 형성하는 방법을 공정 순서대로 도시한 단면도이다.2 to 5 are cross-sectional views illustrating a method of forming a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention in the order of process.

먼저 도 2에 도시한 바와 같이, 금속 배선(12) 따위의 하부 구조가 형성되어 있는 반도체 기판(10) 위에 질화 규소를 700~1,000Å의 두께로 증착하여 식각 정지막(14)을 형성한다. First, as shown in FIG. 2, an etch stop layer 14 is formed by depositing silicon nitride to a thickness of 700 to 1,000 GPa on a semiconductor substrate 10 on which a lower structure such as the metal wiring 12 is formed.

그런 다음 식각 정지막(14) 위에 저유전율 물질인 FSG(fluorine silicate glass)를 7,000~10,000Å의 두께로 적층하여 제1 층간 절연막(16)을 형성하고, 층간 절연막(16) 위에 FSG의 불소(F)가 확산되는 것을 방지하기 위해서 P-SiH4를 이용한 산화막을 2,000~3,000Å의 두께로 적층하여 확산 방지막(18)을 형성한다. Subsequently, a low dielectric constant fluorine silicate glass (FSG) is deposited on the etch stop layer 14 to a thickness of 7,000 to 10,000 Å to form a first interlayer insulating layer 16, and the fluorine (FSG) on the interlayer insulating layer 16 is formed. In order to prevent F) from being diffused, an oxide film using P-SiH 4 is laminated to a thickness of 2,000 to 3,000 kPa to form a diffusion barrier 18.

다음 도 3에 도시한 바와 같이, 확산 방지막(18) 위에 비아홀을 정의하는 감광막 패턴(PR)을 형성한다. 그리고 감광막 패턴(PR)을 마스크로 식각 정지막(14)이 노출될 때까지 건식 식각하여 비아홀(V)을 형성한다. Next, as shown in FIG. 3, a photoresist pattern PR defining a via hole is formed on the diffusion barrier 18. The via hole V is formed by dry etching using the photoresist pattern PR as a mask until the etch stop layer 14 is exposed.

다음 도 4에 도시한 바와 같이, 감광막 패턴(PR)을 산소 플라즈마로 제거한 후 트렌치를 정의하기 위한 감광막 패턴(PR)을 형성한다. 이후 감광막 패턴(PR)을 마스크로 확산 방지막(18) 및 층간 절연막(16)을 식각하여 트렌치(T)를 형성한다. Next, as shown in FIG. 4, after the photoresist pattern PR is removed by oxygen plasma, the photoresist pattern PR for defining the trench is formed. Afterwards, the trench barrier T is formed by etching the diffusion barrier 18 and the interlayer insulating layer 16 using the photoresist pattern PR as a mask.

이후 도 5에 도시한 바와 같이, 비아홀(V)에 의해 노출되는 식각 정지막(14)을 건식 식각으로 제거한다. 여기서 건식 식각시에 식각 가스는 CF4가 20~80sccm, N2가 400~600sccm으로 주입되며, 식각 챔버의 압력은 50~100mTorr로 유지한다. 그리고 챔버에서 플라즈마를 발생시키는 소스 파워(RF파워)는 300~1,000W이고, 발생된 플라즈마에 직진성을 증가시키기 위한 바이어스 파워(RF파워)는 200~500W를 유지하는 것이 바람직하다. Subsequently, as shown in FIG. 5, the etch stop layer 14 exposed by the via hole V is removed by dry etching. Here, during the dry etching, the etching gas is injected at 20 to 80 sccm of CF 4 and 400 to 600 sccm of N 2 , and the pressure of the etching chamber is maintained at 50 to 100 mTorr. The source power (RF power) for generating plasma in the chamber is 300 to 1,000 W, and the bias power (RF power) for increasing linearity to the generated plasma is preferably maintained at 200 to 500 W.

그리고 식각은 챔버의 상태를 안정화시킨 후에 실시하게 되는데 실제 식각 정지막을 식각하기 전에 빈 기판(bare wafer)을 10~20매 정도 식각한 뒤에 실시하거나, 본 발명의 실시예에 따른 식각 조건으로 챔버를 2시간 동안 단련(seasoning)하여 챔버를 안정화시킨 후에 실시하는 것이 바람직하다.The etching is performed after stabilizing the state of the chamber. Before etching the etch stop layer, the etching is performed after etching about 10 to 20 sheets of the bare wafer, or the etching conditions according to the embodiment of the present invention. It is preferably carried out after stabilizing the chamber by seasoning for 2 hours.

이처럼 식각 가스로 CH4와 N2 혼합 가스를 사용하면 식각 정지막의 식각 시에 폴리머의 발생을 최소화할 수 있다. 따라서 정확한 CD를 가지도록 비아홀을 형성할 수 있으므로 하부 금속 배선과 상부 금속 배선의 접촉이 제대로 되지 않아 접촉 저항이 증가하거나 하지 않는다. Using the mixed gas of CH 4 and N 2 as an etching gas as described above can minimize the generation of polymer during the etching of the etch stop layer. Therefore, since the via hole can be formed to have the correct CD, the contact resistance of the lower metal wire and the upper metal wire is not properly contacted, so that the contact resistance does not increase.

다음 도 1에 도시한 바와 같이, 비아홀(V)과 트렌치(T)의 내벽에 티타늄 또는 티타늄 합금 등의 금속을 증착하여 얇은 제1 금속막을 증착한다. 이후 제1 금속막에 의해 정의되는 비아홀 및 트렌치 내부를 채우도록 제2 금속막을 형성한다. 제2 금속막은 저저항 금속인 구리를 사용한다. Next, as shown in FIG. 1, a thin first metal film is deposited by depositing a metal such as titanium or a titanium alloy on the inner walls of the via hole V and the trench T. FIG. Thereafter, a second metal film is formed to fill the via hole and the trench defined by the first metal film. As the second metal film, copper which is a low resistance metal is used.

그런 다음 확산 방지막(18)의 상부 표면이 드러나는 시점까지 화학 기계적 연마하여 비아홀 및 트렌치 내부를 채우는 형태의 금속 배선(20, 22)을 형성한다. Thereafter, chemical mechanical polishing is performed until the upper surface of the diffusion barrier 18 is exposed to form metal wirings 20 and 22 that fill the via holes and the trenches.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of rights.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면 식각 정지막의 식각시 폴리머의 발생을 최소화할 수 있으며 정확한 CD를 가지도록 비아홀을 형성할 수 있으므로 고품질의 반도체 소자를 제공할 수 있다. As described above, according to the present invention, it is possible to minimize the generation of polymer during the etching of the etch stop layer and to form the via hole to have the correct CD, thereby providing a high quality semiconductor device.

Claims (5)

반도체 기판 위에 식각 정지막을 형성하는 단계,Forming an etch stop layer on the semiconductor substrate, 상기 식각 정지막 위에 층간 절연막을 형성하는 단계,Forming an interlayer insulating layer on the etch stop layer; 상기 층간 절연막에 상기 식각 정지막이 노출되는 비아홀을 형성하는 단계,Forming a via hole in the interlayer insulating layer to expose the etch stop layer; 상기 층간 절연막에 상기 비아홀을 노출하는 트렌치를 형성하는 단계,Forming a trench in the interlayer insulating layer to expose the via hole; 상기 비아홀에 의해 노출되는 식각 정지막을 제거하는 단계를 포함하고,Removing an etch stop layer exposed by the via hole, 상기 식각 정지막은 CF4와 N2가스를 혼합한 기체로 건식 식각하는 반도체 소자의 제조 방법.The etching stop film is a method of manufacturing a semiconductor device dry etching with a gas mixed with CF 4 and N 2 gas. 제1항에서,In claim 1, 상기 식각 정지막을 제거하는 단계 후,After removing the etch stop film, 상기 비아홀 및 상기 트렌치가 매립되도록 금속 배선을 형성하는 단계를 더 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.And forming a metal line to fill the via hole and the trench. 제2항에서,In claim 2, 상기 반도체 기판은 하부 금속 배선이 형성되어 있으며,The semiconductor substrate is formed with a lower metal wiring, 상기 금속 배선은 상기 비아홀 및 트렌치를 통해 상기 하부 금속 배선과 연결하는 반도체 소자의 제조 방법.And the metal wires are connected to the lower metal wires through the via holes and trenches. 제1항에서,In claim 1, 상기 CF4는 20~80sccm, N2는 400~600sccm으로 식각 챔버에 주입되는 반도체 소자의 제조 방법.CF 4 is 20 ~ 80sccm, N 2 is 400 ~ 600sccm injection method in the semiconductor device manufacturing method. 제4항에서,In claim 4, 상기 식각 챔버의 압력은 50~100mTorr이고, 상기 챔버의 소스 파워는 300~1,000W, 바이어스 파워는 200~500W인 반도체 소자의 제조 방법.The pressure of the etching chamber is 50 ~ 100mTorr, the source power of the chamber is 300 ~ 1,000W, the bias power 200 ~ 500W manufacturing method of a semiconductor device.
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