KR20060113294A - Method for forming a metal line in semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
도 1a 및 도 1b는 종래기술에 따른 반도체 소자의 금속배선 형성방법을 적용하는 경우 발생하는 저유전막의 붕괴를 설명하기 위하여 도시한 SEM(Scanning Electron Microscope) 단면 사진.1A and 1B are cross-sectional photographs of a scanning electron microscope (SEM) cross-sectional view illustrating a collapse of a low dielectric film generated when a metal wiring formation method of a semiconductor device according to the related art is applied.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자의 금속배선 형성방법을 도시한 단면도.2A to 2G are cross-sectional views illustrating a method of forming metal wirings in a semiconductor device according to a preferred embodiment of the present invention.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉<Explanation of symbols for main parts of drawing>
110 : 기판110: substrate
111, 118 : 식각 정지막111, 118: etch stop film
112, 117, 119, 124 : IMD막112, 117, 119, 124: IMD film
113, 120 : 장벽 금속층113, 120: barrier metal layer
114 : 하부배선114: lower wiring
115, 122 : 손상영역115, 122: damaged area
121 : 상부배선121: upper wiring
본 발명은 반도체 소자의 금속배선 형성방법에 관한 것으로, 특히 유전상수가 낮은 포러스(porous) 저유전막을 이용한 반도체 소자의 금속배선 형성방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming metal wirings in semiconductor devices, and more particularly, to a method for forming metal wirings in semiconductor devices using a porous low dielectric film having a low dielectric constant.
최근에는 반도체 소자 중에서 고집적화와 고성능화가 요구되는 로직(logic) 소자를 중심으로 신호전달 지연(signal propagation delay)을 줄이기 위하여 여러가지 연구가 진행중에 있다. 이는 고밀도 칩(high density chip)의 속도가 고밀도 칩상의 RC 타임 지연(여기서, 'R'은 배선저항, 'C'는 절연막의 정전용량)에 의해 결정되기 때문인데 RC 신호지연의 감소가 소자의 고속화를 이루게 한다. 이를 위해서는 저항이 작은 도체의 개발과, 낮은 유전상수(dielectric constant)를 갖는 물질의 개발이 필요하다. Recently, various researches are underway to reduce signal propagation delays centering on logic devices requiring high integration and high performance among semiconductor devices. This is because the speed of the high density chip is determined by the RC time delay on the high density chip, where 'R' is the wiring resistance and 'C' is the capacitance of the insulating film. Speed up. This requires the development of low resistance conductors and the development of materials with low dielectric constants.
도체에 있어서는 기존의 알루미늄을 구리도체로의 대체 공정이 필요한데, 지금까지 구리의 경우 알루미늄보다 전기 전도도가 훨씬 우수하다고 알려져 있다. 그러나, 구리의 경우 진공증착 및 건식식각이 어려워 반도체 공정에 사용되지 못하였으나, 최근에는 전기도금기술과 매입공정을 이용하여 배선물질로서 사용이 가능하게 되었다. 그리고, MCM(Multi-Chip-Module)이나 로직 칩 제조에 성능을 향상시킬 수 있게 되었다. In the case of a conductor is required to replace the existing aluminum to a copper conductor, copper has been known to have a much higher electrical conductivity than aluminum. However, in the case of copper, vacuum deposition and dry etching have been difficult, and thus it has not been used in the semiconductor process. However, recently, copper has been used as a wiring material by using an electroplating technique and a buried process. In addition, MCM (Multi-Chip-Module) or logic chip manufacturing can improve performance.
이러한 배경을 지니는 구리배선 공정에서 반도체 저유전 물질이 동시에 수반되어야 하는데, 구리도체의 경우 약 50% 정도의 소자의 성능 향상을 꾀할 수 있으며, 초 저유전 물질을 개발할 경우 40% 이상의 소자 성능을 향상시킬 수 있을 것으로 'SEMATECH 연구 보고서'에서 밝히고 있다. 낮은 유전상수를 가지는 재료는 광범위한 주파수 범위에서 낮은 소산 인자(dissipation factor)와 높은 브레이크다운 전압(breakdown voltage)을 가지므로 회로밀도의 증가와 시스템의 고속화에 기여할 수 있다. 이 경우 신호전달속도가 다음과 같이 유전상수의 제곱근에 반비례하는 이론적 배경으로부터 출발한다. 신호전달속도(V, m/sec)는 하기의 수학식1로 나타낼 수 있다. In this copper wiring process with this background, semiconductor low dielectric materials should be accompanied at the same time. Copper conductors can improve the performance of devices by about 50%, and ultra low dielectric materials can improve device performance by more than 40%. The SEMATECH research report reveals that this can be done. Materials with low dielectric constants have a low dissipation factor and high breakdown voltage over a wide frequency range, which can contribute to increased circuit density and higher system speed. In this case, we start from a theoretical background where the signal propagation rate is inversely proportional to the square root of the dielectric constant. Signal transmission speed (V, m / sec) can be represented by the following equation (1).
여기서, 'c'는 3,108m/sec, 'ε'는 유전상수이다.Where 'c' is 3,108m / sec and 'ε' is the dielectric constant.
또한, 낮은 유전상수의 물질을 사용할 경우 상호 신호방해(cross-talk)를 감소시킬 수 있게 되어 회로밀도의 증가가 가능하게 된다. 이는 고집적화 및 소형화가 가능하고, 궁극적으로는 가격 절감 및 칩 성능의 획기적인 향상을 도모할 수 있다. In addition, the use of low dielectric constant materials can reduce cross-talk and thus increase circuit density. This enables high integration and miniaturization, which can ultimately lead to cost reductions and dramatic improvements in chip performance.
낮은 유전상수 물질로는 탄소(carbon)가 함유된 SiOC막이 보편적으로 널리 사용되고 있다. 그러나, 포토레지스트 에싱(ashing)공정, 즉 식각공정 후 포토레지스트 패턴을 제거하기 위한 스트립(strip) 공정시 사용되는 O2 플라즈마에 의해 SiOC막의 탄소가 산소 라디칼(oxygen radical)과 반응하여 탄소가 손실되거나, 유전상수 값이 증가하여 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 저유전막이 붕괴하는 현상이 발생한다. As a low dielectric constant material, a carbon-containing SiOC film is widely used. However, the carbon in the SiOC film reacts with oxygen radicals by the O 2 plasma used in the photoresist ashing process, that is, the strip process for removing the photoresist pattern after the etching process, so that the carbon is lost. In addition, as the dielectric constant increases, the low dielectric film collapses as shown in FIGS. 1A and 1B.
도 1a는 에싱공정 전 반도체 소자를 도시한 SEM 단면 사진이고, 도 1b는 에싱공정 후 SEM 단면 사진이다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 에싱공정 전에는 저유전막(10)이 구리배선(12) 간에 붕괴되지 않고 안정적으로 형성되어 있는 것을 알 수 있으나, 도 1b에 도시된 바와 같이, 에싱공정 후에는 저유전막(10)이 'A' 부위에서와 같이 붕괴된 것을 알 수 있다. 한편, '11'는 장벽 금속층(barrier layer)이다. 1A is a SEM cross-sectional view of a semiconductor device before an ashing process, and FIG. 1B is a SEM cross-sectional picture after an ashing process. As shown in FIG. 1A, it can be seen that the low
이러한 탄소 손실에 의한 저유전막의 붕괴를 방지하기 위하여 에싱공정시 O2 플라즈마 대신에 He/N2, H2/N2 플라즈마를 사용하고 있다. 그러나, 이 경우 챔버 내에 설치된 기존의 가스 공급라인을 교체해야 할 뿐만 아니라, SiOC막의 손상을 완전히 방지하는데는 한계가 있다. 또한, 플라즈마 반응에 의해 일부 탄소원자가 손실된다. 특히, 포러스(porous) 저유전막으로 갈 수록 이러한 손실은 더욱 커지게 되는데, 이는 저유전막이 포러스하여 그 만큼 밀도가 작아지고, 플라즈마에 노출되는 면적이 넓어지며, 이로 인하여 결합구조가 약해져 쉽게 탄소원자가 떨어져 나가기 때문이다. In order to prevent the collapse of the low dielectric film due to carbon loss, He / N 2 and H 2 / N 2 plasma are used instead of O 2 plasma in the ashing process. However, in this case, not only the existing gas supply line installed in the chamber needs to be replaced, but also there is a limit in completely preventing damage to the SiOC film. In addition, some carbon atoms are lost by the plasma reaction. In particular, as the porous low dielectric film becomes larger, the loss becomes larger, which means that the low dielectric film becomes porous, so that the density becomes smaller, and the area exposed to the plasma becomes wider. Because it is falling apart.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 포토 레지스트 에싱공정시 에싱에 의한 손상과 무관하게 안정적으로 저유전막을 이용하여 금속배선을 형성할 수 반도체 소자의 금속배선 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다. Accordingly, the present invention has been proposed to solve the above problems, and provides a method for forming metal wirings of a semiconductor device capable of forming metal wirings stably using a low dielectric film regardless of damage caused by ashing during a photoresist ashing process. Its purpose is to.
상기한 목적을 달성하기 위한 일측면에 따른 본 발명은, 기판 상에 식각 정지막 및 제1 절연막을 순차적으로 증착하는 단계와, 포토리소그래피 공정을 통해 상기 제1 절연막을 식각하여 홀을 형성하는 단계와, 상기 홀이 매립되도록 금속배선을 형성하는 단계와, 상기 제1 절연막을 선택적으로 식각 제거하여 상기 금속배선을 돌출시키는 단계와, 상기 제1 절연막이 제거된 부위에 제2 절연막을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법을 제공한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method including sequentially depositing an etch stop layer and a first insulating layer on a substrate, and forming holes by etching the first insulating layer through a photolithography process. Forming a metal wiring so as to fill the hole, selectively etching away the first insulating film to protrude the metal wiring, and forming a second insulating film at a portion where the first insulating film is removed. It provides a method for forming metal wiring of a semiconductor device comprising a.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.DETAILED DESCRIPTION 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 technical idea of the present invention.
실시예Example
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자의 금속배선 형성방법을 설명하기 위하여 도시한 단면도들이다. 여기서, 도 2a 내지 도 2g에 도시된 참조부호들 중 서로 동일한 참조부호는 동일한 기능을 하는 동일한 구성 요소이다. 2A to 2G are cross-sectional views illustrating a method of forming metal wirings of a semiconductor device in accordance with a preferred embodiment of the present invention. Here, the same reference numerals among the reference numerals shown in FIGS. 2A to 2G are the same components having the same function.
먼저, 도 2a를 참조하면, 소정의 반도체 구조물층(미도시)이 형성된 반도체 기판(110)이 제공된다. 여기서, 반도체 구조물층은 트랜지스터(transistor), 메모리 셀(memory cell), 캐패시터(capacitor), 접합층, 도전층 및 배선 등을 포함할 수 있다. First, referring to FIG. 2A, a
이어서, 기판(110) 상에 식각 정지막(etch stop layer, 111)을 증착한다. 이때, 식각 정지막(111)은 Ta, TaN, TaC, TaAlN, TaSiN, TaSi2, Ti, TiN, TiSiN, WN, WBN, WC, Co 및 CoSi2 중 어느 하나로 단층 또는 적층으로 형성한다. 이들은 PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 ALD(Atomic Layer Depostion) 방식으로 증착한다. Subsequently, an
이어서, 식각 정지막(111) 상에 IMD(Inter Metal Dielectric)막(112)을 형성한다. 이때, IMD막(112)은 CDO(Carbon Doped Oxide), 카본(carbon)이 함유된 울트라(ultra) 저유전막(k<3.0) 또는 다공성막으로 HSSQ(Hydro silsesquioxane)막 또는 MSSQ(Methyl silsesquioxane)막으로 형성한다. 울트라 저유전막, HSSQ막 및 MSSQ막은 스핀 온(spin on) 방식으로 형성된 저유전막일 수 있으며, 예컨대 저유전막은 SiOC막일 수 있다. 이 외에, 카본이 함유된 열산화막(thermal oxide) 또는 TEOS(Tetra Ethyle Ortho Silicate)막을 사용할 수도 있다. 이러한 IMD막(112)은 상기 기술한 막을 이용하여 단일막으로 형성하거나, 상기 막이 적어도 2층 이상 적층된 복합 구조로 형성한다.Next, an intermetal dielectric (IMD)
이어서, IMD막(112)은 적어도 400℃ 이상의 온도범위에서 큐어링(curing)할 수도 있다. Subsequently, the
이어서, IMD막(112)은 평탄화공정을 통해 평탄화될 수 있는데, 이때, 상기 평탄화공정은 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 방식으로 실시되는 것이 바람직하다. Subsequently, the
이어서, 듀얼 다마신(dual damascene) 공정 또는 싱글 다마신(single damascene) 공정을 실시하여 IMD막(112)을 식각하여 비아홀(via hole) 또는 트렌치(trench)(미도시)를 형성한다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 트렌치라고 칭하기로 한다. Subsequently, a dual damascene process or a single damascene process is performed to etch the
듀얼 다마신 공정 또는 싱글 다마신 공정은 포토리소그래피 공정을 이용하여 실시하는데, 이때 식각 마스크로 사용되는 포토레지스트 패턴(미도시)을 제거하기위한 에싱공정시 도시된 '115'와 같이 트렌치의 내측벽에 각각 에싱에 의한 손상영역이 형성된다. 한편, 에싱공정은 O2, He/N2 또는 H2/N2 플라즈마를 이용하여 실시한다. The dual damascene process or the single damascene process is carried out using a photolithography process, in which the inner wall of the trench is shown as '115' during the ashing process to remove the photoresist pattern (not shown) used as an etch mask. Damaged areas are formed in each of the ashing. On the other hand, the ashing process is performed using O 2 , He / N 2 or H 2 / N 2 plasma.
이어서, 트렌치가 형성된 전체 구조 상부면의 단차를 따라 장벽 금속층(113)을 증착한다. 이때, 장벽 금속층(113)은 후속 열공정에 의한 구리원자의 확산을 방지하거나, 하지층이 금속층인 경우 이들간의 접촉력을 높이기 위하여 Ta, TaN, TaC, TaAlN, TaSiN, TaSi2, Ti, TiN, TiSiN, WN, WBN, WC, Co 및 CoSi2 중 어느 하나를 이용하여 단층 또는 적층으로 형성한다. 이들은 PVD, CVD 또는 ALD 방식으로 증착한다. Subsequently, the
이어서, 장벽 금속층(113) 상에 시드층(seed layer, 미도시)을 형성한다. 이때, 시드층은 PVD, CVD 또는 ALD 방식으로 제조된 구리 및 구리 합금막이며, 여기서 구리 합금막은 Mg, Sn, Al, Pd, Ti, Nb, Hf, Zr, Sr, Mn, Cd, Zn 또는 Ag 등을 포함할 수 있다. Subsequently, a seed layer (not shown) is formed on the
이어서, 트렌치가 매립되도록 시드층이 형성된 전체 구조 상부에 구리층을 증착한다. 이때, 구리층은 전기 도금법 이외에, CVD, ALD 또는 무전해 도금법으로 형성할 수 있다. Subsequently, a copper layer is deposited over the entire structure where the seed layer is formed so that the trench is embedded. In this case, the copper layer may be formed by CVD, ALD or electroless plating in addition to the electroplating method.
이어서, CMP 공정을 실시하여 구리층을 평탄화한다. 이로써, 트렌치 내부에 고립(isolation)된 하부배선(114)이 형성된다. 여기서, 하부배선(114)은 구리금속 대신에 도전성을 갖는 모든 금속, 예컨대 Al, W, Pt 등 도전성 물질로 형성할 수도 있다. Next, a CMP process is performed to planarize the copper layer. As a result, an isolation
이어서, 도 2b에 도시된 바와 같이, DHF(Diluted HF, 500:1 또는 200:1의 비율의 H20:HF)을 이용한 습식식각공정(116)을 실시하여 선택적으로 IMD막(112)을 제거한다. 이로써, 식각 정지막(111)이 노출되는 동시에 장벽 금속층(113)이 노출된다. Subsequently, as illustrated in FIG. 2B, the
이어서, 도 2c에 도시된 바와 같이, 노출된 장벽 금속층(113), 즉 돌출된 하부배선(114)을 포함하는 전체 구조 상부를 덮도록 IMD막(117)을 증착한다. 이때, IMD막(117)은 IMD막(112, 도 2a참조)과 동일한 물질을 이용하여 동일한 방법으로 형성한다. Next, as shown in FIG. 2C, the
이어서, CMP 공정 또는 에치백(etch back) 공정과 같은 전면 식각공정을 실시하여 IMD막(117)을 식각 평탄화한다. 이로써, 하부배선(114)의 상부면이 노출된다. Subsequently, an entire surface etching process such as a CMP process or an etch back process is performed to etch planarize the
이어서, 도 2d에 도시된 바와 같이, 평탄화된 전체 구조 상부에 식각 정지막(118)을 증착한다. 이때, 식각 정지막(118)은 식각 정지막(111)과 동일한 물질로 형성한다. Subsequently, as shown in FIG. 2D, an
이이서, 도 2e에 도시된 바와 같이, 식각 정지막(111) 상부에 IMD막(119)을 증착한다. 이때, IMD막(119)은 IMD막(117)과 동일한 막을 이용하여 단층 또는 적층으로 형성한다.Next, as shown in FIG. 2E, an
이어서, 듀얼 다마신 공정을 선(先)비아 또는 후(後)비아 방식으로 실시하여 비아홀(미도시) 및 트렌치(미도시)를 형성한다. 한편, 도시된 '122'는 듀얼 다마신 공정 수행시 실시되는 에싱공정시 트렌치 및 비아홀의 내측벽에 형성된 손상영역이다.Subsequently, a dual damascene process is performed in a pre-via or post-via manner to form via holes (not shown) and trenches (not shown). On the other hand, '122' is a damage region formed in the inner wall of the trench and the via hole during the ashing process performed during the dual damascene process.
이어서, 트렌치 및 비아홀이 형성된 전체 구조 상부면의 단차를 따라 장벽 금속층(120)을 증착한다. 이때, 장벽 금속층(120)은 장벽 금속층(113)과 동일한 물질로 형성한다. The
이어서, 장벽 금속층(120) 상에 시드층을 형성한 후, 트렌치 및 비아홀이 완전히 매립되도록 시드층이 형성된 전체 구조 상부에 구리층을 증착하고, CMP 공정을 실시하여 구리층을 평탄화한다. 이로써, 트렌치 내부에 고립된 상부배선(121)이 형성된다. Subsequently, after forming the seed layer on the
이어서, 도 2f에 도시된 바와 같이, DHF(Diluted HF, 500:1 또는 200:1의 비율의 H20:HF)을 이용한 습식식각공정(123)을 실시하여 선택적으로 IMD막(119, 도 2e참조)을 제거한다. 이로써, 식각 정지막(118)이 노출되는 동시에 장벽 금속층(120)이 노출된다. Subsequently, as shown in FIG. 2F, a
이어서, 도 2g에 도시된 바와 같이, 노출된 장벽 금속층(120), 즉 돌출된 상부배선(121)을 포함하는 전체 구조 상부를 덮도록 IMD막(124)을 증착한다. 이때, IMD막(124)은 IMD막(112, 도 2a참조)과 동일한 물질을 이용하여 동일한 방법으로 형성한다. Next, as shown in FIG. 2G, an
이어서, CMP 공정 또는 에치백 공정과 같은 전면 식각공정을 실시하여 IMD막(124)을 식각 평탄화한다. Subsequently, an entire surface etching process such as a CMP process or an etch back process is performed to etch planarize the
본 발명의 기술 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명은 이 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예들이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical spirit of the present invention has been described in detail in the preferred embodiments, it should be noted that the above-described embodiments are for the purpose of description and not of limitation. In addition, it will be understood by those skilled in the art that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 비아홀 및/또는 트렌치 내부에 금속층을 매립시켜 금속배선을 형성하고, 선택적으로 에싱에 의해 손상을 입은 저유전막을 제거한 후 저유전막이 제거된 부위에 새로운 저유전막을 재증착함으로써 포토레지스트 에싱공정시 에싱에 의한 손상과 무관하게 안정적으로 저유전막을 이용하여 금속배선을 형성할 수 있다. As described above, according to the present invention, a metal layer is embedded in a via hole and / or trench to form a metal wiring, and selectively removes the low dielectric film damaged by ashing, and then removes a new low By re-depositing the dielectric film, metal wiring can be formed using the low dielectric film stably regardless of damage caused by ashing during the photoresist ashing process.
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