KR20080074504A - Semiconductor device and method of manufacturing thereof - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래의 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 반도체 기판 일부의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a portion of a semiconductor substrate for explaining a conventional method for manufacturing a semiconductor device.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 반도체 기판 일부의 단면도들이다.2 to 6 are cross-sectional views of a part of a semiconductor substrate for describing a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100 : 반도체 기판 101 : 제1 절연막100
102 : 제1 식각 정지 절연막 103 : 제2 절연막102: first etch stop insulating film 103: second insulating film
104 : 상부 금속층 105 : 식각 정지 도전층104: upper metal layer 105: etch stop conductive layer
106 : 제2 식각 정지 절연막 107 : 제3 절연막106: second etching stop insulating film 107: third insulating film
108 : 비아홀108: via hole
본 발명은 반도체 소자 및 그것의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 다층 금속 배선 패턴을 포함하는 반도체 소자 및 그것의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a semiconductor device including a multilayer metal wiring pattern and a method for manufacturing the same.
일반적으로, 반도체 소자 제조시 넓은 활성영역의 확보를 위하여 데이타 전송을 담당하는 금속 배선을 주로 다층으로 형성하게 되며, 비아홀을 이용하여 다층 금속 배선 사이를 연결하여 왔다.In general, in the manufacture of semiconductor devices, in order to secure a wide active area, metal wires for data transmission are mainly formed in multiple layers, and via holes are used to connect the multilayer metal wires.
종래의 반도체 소자의 제조방법은 다마신(Damascene) 공정을 이용한 금속배선 공정을 실시한다. 절연막을 식각하여 비아홀을 형성한 후, 비아홀을 포함한 전체 구조 상에 금속막을 증착 및 금속막의 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing)를 통해 금속 배선을 형성한다.The conventional method for manufacturing a semiconductor device performs a metal wiring process using a damascene process. After the insulating film is etched to form the via hole, a metal film is formed on the entire structure including the via hole, and the metal wiring is formed through chemical mechanical polishing of the metal film.
도 1은 종래의 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 반도체 기판 일부의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a portion of a semiconductor substrate for explaining a conventional method for manufacturing a semiconductor device.
도 1을 참조하면, 상부에 복수의 단위 소자 패턴들(미도시)을 포함하는 반도체 기판(10) 상에 제1 절연막(11) 및 제2 절연막(12)을 순차적으로 형성한다. 이 후, 식각 공정을 실시하여 제 1 절연막(11)의 플러그가 연결될 부분이 노출되도록 콘택홀을 형성한 후, 콘택홀이 매립되도록 금속 물질을 증착한다. 이 후, CMP 공정을 실시하여 하부 금속층(13)을 형성한다. 이 후, 하부 금속층(13)을 포함하는 전체 구조 상에 식각 정지막(14) 및 제3 층간 절연막(15)을 순차적으로 증착한다. 이 후, 식각 공정을 실시하여 상기 하부 금속층(13)의 상부가 노출되는 비아홀(16)을 형성한다.Referring to FIG. 1, a first
상술한 바와 같이 종래 기술에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 바람직하게 는 식각 정지막(14)만이 식각되어야 하지만, 도 1에 도시된 것과 같이, 상기 하부 금속층(13)의 일부도 식각되는 현상(즉, 펀치(punch) 현상)이 발생되는 문제점이 있다. 이렇게, 상기 하부 금속층(13)이 식각될 경우, 하부 금속층(13)과 후속 형성되는 상부 금속층을 연결하는 플러그의 접촉 저항 값이 변경되고, 결국 반도체 소자의 양산시 양품률(yield) 특성이 저하되는 문제점이 있다. 이를 방지하기 위해, 상기 하부 금속층(13)의 두께를 증가시킴으로써, 펀치 마진(punch margin)이 확보될 수도 있지만, 고집적 반도체 소자의 경우 상기 하부 금속층(13)의 두께를 증가시키는 데는 한계가 있다. 또한, 상기 하부 금속층(13)의 두께가 증가될 경우, 상기 하부 금속층(13)이 패터닝될 때, 식각되어야할 금속층의 두께가 증가된다.As described above, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the related art, only the
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 하부 금속층 상부에 식각 정지 도전층을 형성함으로써, 절연막에 하부 금속층과 상부 금속층간의 플러그용 비아홀 형성시 하부 금속층의 식각을 방지하여, 상부 금속층과 하부 금속층간의 접촉 저항 값의 변화를 최소화하고, 반도체 소자의 양산시 양품률 특성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자 및 그것의 제조 방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, the technical problem to be achieved by the present invention is to form an etch stop conductive layer on the lower metal layer, thereby preventing the etching of the lower metal layer when forming a via hole for the plug between the lower metal layer and the upper metal layer in the insulating film, thereby preventing the upper metal layer from the lower metal layer. It is to provide a semiconductor device and a method of manufacturing the same that can minimize the change in the value of the contact resistance of the semiconductor device, and improve the yield rate characteristics during mass production of the semiconductor device.
본 발명의 일실시 예에 따른 반도체 소자는 반도체 기판 상에 순차적으로 형성된 제1 절연막 및 제2 절연막과, 상기 제2 절연막을 관통하여 상기 제1 절연막과 연결되는 금속 배선과, 상기 금속 배선 상부에 형성된 식각 정지 도전막, 및 상기 식각 정지 도전막 상부의 일부 또는 전체를 포함하는 영역이 노출되도록 형성된 비아홀을 포함한다. According to an embodiment of the present invention, a semiconductor device may include a first insulating film and a second insulating film sequentially formed on a semiconductor substrate, a metal wiring penetrating the second insulating film and connected to the first insulating film, and an upper portion of the metal wiring. The formed etch stop conductive layer and a via hole formed to expose a region including a part or the whole of the upper portion of the etch stop conductive layer.
상기 비아홀 내에 형성된 플러그를 더 포함하며, 상기 식각 정지 도전막은 TiN막으로 형성된다.And a plug formed in the via hole, wherein the etch stop conductive layer is formed of a TiN layer.
본 발명의 일실시 예에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 반도체 기판 상에 제1 절연막 및 제2 절연막을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 제2 절연막을 식각하여 상기 제1 절연막의 콘택 영역이 노출되는 콘택홀을 형성하는 단계와, 상기 콘택홀 내에 금속 배선을 형성하는 단계와, 상기 금속 배선 상부에 식각 정지 도전막을 형성하는 단계와, 상기 식각 정지 도전막을 포함한 전체 구조 상에 제3 절연막을 형성하는 단계, 및 상기 식각 정지 도전막이 노출되는 비아홀을 형성하는 단계를 포함한다.According to an embodiment of the present disclosure, a method of manufacturing a semiconductor device may include sequentially forming a first insulating film and a second insulating film on a semiconductor substrate, and etching the second insulating film to expose a contact region of the first insulating film. Forming a contact hole, forming a metal wiring in the contact hole, forming an etch stop conductive film on the metal wire, and forming a third insulating film on the entire structure including the etch stop conductive film. And forming a via hole through which the etch stop conductive layer is exposed.
상기 비아홀을 형성한 후, 상기 비아홀을 금속 물질로 채워 플러그를 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 식각 정지 도전막을 형성하는 단계는 상기 금속 배선을 포함하는 전체 구조 상에 도전막을 형성하는 단계, 및 패터닝 공정을 실시하여 상기 금속 배선 상부에 상기 도전막을 잔류시켜 상기 식각 정지 도전막을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 식각 정지 도전막은 TiN막으로 형성한다. After the via hole is formed, the method may further include filling the via hole with a metal material to form a plug. The forming of the etch stop conductive film may include forming a conductive film on the entire structure including the metal wires, and Performing a patterning process to form the etch stop conductive film by remaining the conductive film on the metal wiring. The etch stop conductive film is formed of a TiN film.
상기 패터닝 공정은 주식각 가스로 Chlorine("cl" 함유한 Cl2)/Fluorine("F" 함유한 CxHyFz계열 )로 사용하고 보조 식각 가스로 Ar,O2를 사용하여 실시하며, 상기 패터닝 공정은 고선택비를 가지기 위하여 Cl2 : CHF3 의 프로우양(sccm)을 10:1 내지 1 : 1 의 비율로 제어하여 실시한다. The patterning process is performed using chlorine ("cl" -containing Cl2) / Fluorine ("C" -containing CxHyFz series) as the stock angle gas and Ar, O2 as the auxiliary etching gas, and the patterning process is highly selected. In order to have a ratio, the proyang (sccm) of Cl2: CHF3 is controlled by controlling the ratio of 10: 1 to 1: 1.
상기 제1 내지 제3 절연막은 산화막으로 형성하며, 상기 제1 절연막 형성 후, 상기 제2 절연막 형성 전에 식각 정지 절연막을 형성하는 단계를 더 포함한다. 상기 식각 정지 도전막을 형성한 후, 상기 제3 절연막 형성 전에 식각 정지 절연막을 형성하는 단계를 더 포함한다. 상기 식각 정지 절연막은 질화막으로 형성한다.The first to third insulating films may be formed of an oxide film, and after the first insulating film is formed, an etch stop insulating film may be formed before the second insulating film is formed. After forming the etch stop conductive film, and further comprising forming an etch stop insulating film before forming the third insulating film. The etch stop insulating film is formed of a nitride film.
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, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a preferred embodiment of the present invention. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various forms, and only the present embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention and to those skilled in the art. It is provided for complete information.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 도 22 내지 도 6에서는 일례로서 플래시 메모리 소자의 제조 공정이 도시되어 있다. 도 2a 내지 도 2g에 도시된 참조부호들 중 서로 동일한 참조부호는 서로 동일한 기능을 하는 동일 구성요소를 가리킨다.2 to 6 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention. 22 to 6 illustrate a manufacturing process of a flash memory device as an example. The same reference numerals among the reference numerals shown in FIGS. 2A to 2G indicate the same components having the same function.
도 2를 참고하면, 복수의 단위 소자들(미도시)이 형성된 반도체 기판(100)이 제공된다. 이후, 반도체 기판(100)을 포함하는 전체 구조 상부에 제1 절연막(101)을 형성하고, 제1 절연막(101) 상에 제1 식각 정지 절연막(102)을 형성한다. 이 후, 금속 확산 방지막(102)을 포함한 전체 구조 상에 제2 층간 절연막(103)을 형성 한다. 제1 절연막(101) 및 제2 절연막(103)은 산화막으로 형성하는 것이 바람직하다. 제1 식각 정지 절연막(102)은 질화막으로 형성하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 2, a
도 3을 참조하면, 식각 공정을 실시하여 제1 식각 정지 절연막(102)의 일부 영역이 노출되는 트렌치를 형성한 후, 노출되는 제1 식각 정지 절연막(102)을 식각하여 콘택홀을 형성한다. 이 후, 전체 구조 상에 금속 물질을 증착한 후, CMP 공정을 실시하여 금속 물질을 콘택홀에 잔류시켜 하부 금속층(104)을 형성한다. 하부 금속층(104)은 알루미늄으로 형성하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 3, an etching process is performed to form a trench in which a portion of the first etch
도 4를 참조하면, 하부 금속층(104)을 포함하는 전체 구조 상에 도전층을 증착한 후, 패터닝 공정을 실시하여 하부 금속층(104)에 잔류시킨다. 즉, 도전층을 하부 금속층(104) 상부에 잔류시켜 식각 정지 도전층(105)을 형성한다. 식각 정지 도전층(105)은 TiN막으로 형성하는 것이 바람직하다. 패터닝 공정은 주식각 가스로 Chlorine("cl" 함유한 Cl2)/Fluorine("F" 함유한 CxHyFz계열 )로 사용하고 보조 식각 가스로 Ar,O2를 사용하여 실시하는 것이 바람직하다. 패터닝 공정은 고선택비를 가지기 위하여 Cl2 : CHF3 의 프로우양(sccm)을 10:1 내지 1 : 1 의 비율로 제어하는 것이 바람직하다. 이때, CHF3 대신에 CF4,C2F6 등의 CxHyFz 가스 사용시 동일 "F" 비율 유지하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 4, after depositing a conductive layer on the entire structure including the
도 5를 참조하면, 식각 정지 도전층(105)을 포함한 전체 구조 상에 제2 식각 정지 절연막(106) 및 제3 절연막(107)을 순차적으로 적층하여 형성한다. 제2 식각 정지 절연막(106)은 질화막으로 형성하는 것이 바람직하다. 제3 절연막(107)은 산화막으로 형성하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 5, the second etch stop insulating
도 6을 참조하면, 식각 공정을 실시하여 식각 정지 도전층(105) 상부에 형성된 제2 식각 정지 절연막(106)이 노출되도록 제3 절연막(107)을 식각한다. 이 후, 노출된 제2 식각 정지 절연막(106)을 식각하여 비아홀(108)을 형성한다. 이때 식각 공정시 과도 식각되어도 식각 정지 도전층(105)에 의해 하부 금속층(104)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.Referring to FIG. 6, the third insulating
이 후 도시되진 않았지만, 비아홀을 포함한 전체 구조 상에 금속 물질을 증착한 후, CMP 공정을 실시하여 금속 물질을 비아홀에 잔류시켜 플러그를 형성한 후, 상부 금속층을 형성한다.Thereafter, although not shown, the metal material is deposited on the entire structure including the via hole, and then a CMP process is performed to leave the metal material in the via hole to form a plug, and then form an upper metal layer.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예들에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명은 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical spirit of the present invention described above 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, the present invention 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 하부 금속층 상부에 비아홀 정지 도전층이 형성됨으로써, 절연막에 하부 금속층과 상부 금속층간의 플러그용 비아홀 형성시 하부 금속층의 식각을 방지하여, 상부 금속층과 하부 금속층간의 접촉 저항 값의 변화가 최소화될 수 있고, 반도체 소자의 양산시 양품률 특성이 향상 될 수 있다.As described above, according to the present invention, the via hole stop conductive layer is formed on the lower metal layer, thereby preventing the etching of the lower metal layer when the via hole for plug between the lower metal layer and the upper metal layer is formed in the insulating layer, thereby preventing the etching between the upper metal layer and the lower metal layer. The change of the contact resistance value of can be minimized, and the yield rate characteristics during the mass production of the semiconductor device can be improved.
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