KR20090055772A - 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법 - Google Patents

반도체 소자의 금속 배선 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적어도 2개의 금속층을 차례로 증착하고 2번의 식각 공정에 의해 콘택 플러그와 금속 배선을 일체로 형성하므로, 콘택 불량을 방지하고, 금속 배선의 저항을 줄여 동작 속도를 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것으로, 반도체 소자가 구비된 반도체 기판상에 보호막을 형성하는 제 1 단계; 상기 보호막에 콘택 홀을 형성하여 상기 콘택홀 내에 제 1 콘택 플러그를 형성하는 제 2 단계; 상기 제 1 콘택 플러그를 포함한 기판 전면에 적어도 2개의 금속층을 차례로 형성하는 제 3 단계; 상기 적어도 2개의 금속층중 하나를 선택적으로 식각하여 제 2 콘택 플러그를 형성하는 제 4 단계; 상기 적어도 2개의 금속층 중 나머지 금속층을 선택적으로 식각하여 금속 배선을 형성하는 제 5 단계; 상기 제 2 콘택 플러그의 상부 표면에 노출되도록 상기 제 2 콘택 플러그 및 금속 배선상에 층간 절연막을 형성하는 제 6 단계를 포함하여 이루어진 것이다.
반도체 소자, 금속 배선, 콘택 플러그와 금속 배선 일체형

Description

반도체 소자의 금속 배선 형성 방법{Method for fabricating metal line of the semiconductor device}
본 발명은 반도체 소자의 금속 배선 제조 방법에 관한 것으로, 특히 적어도 2개의 금속층을 차례로 증착하고 2번의 식각 공정에 의해 콘택 플러그와 금속 배선을 일체로 형성하여 콘택 불량을 방지하고 반도체 소자의 수율을 향상 시킬 수 있는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것이다.
현재 반도체 소자는 미세화, 대용량화 및 고집적화를 위해서 반도체 소자의 트랜지스터, 비트 라인 및 커패시터 등을 형성한 다음, 각각의 소자를 전기적으로 연결할 수 있는 금속 배선 등과 같은 다층 배선을 형성하기 위한 후속 공정을 필수적으로 요구하고 있다.
이 때, 트랜지스터, 비트라인 및 커패시터가 형성되어 있는 소자층을 포함한 반도체 기판 전면에 보호막을 형성하고, 상기 보호막을 화학적 기계적 연마(CMP; Chemical Mechanical Polising) 공정에 의해 평탄화한 다음, 상기 소자층에 콘택홀을 형성하여 상기 콘택 홀내에 콘택 플러그를 형성한다.
그리고, 상기 보호막위에 제 1 층간절연막을 형성하고 CMP 공정에 의해 평탄 화한 후, 상기 제 1 층간절연막위에 그 위에 제 1 금속 배선을 형성한다. 계속해서 상기 제 1 금속배선을 포함한 제 1 층간절연막위에 제 2 층간절연막을 형성하고, 상기 제 1 금속 배선 상측에 콘택홀을 형성하고, 상기 콘택홀에 콘택 플러그를 형성한 후, 상기 제 2 층간절연막위에 제 2 금속 배선을 형성하는 과정을 반복하여 다층의 금속 배선을 형성한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술에 의한 반도체 소자의 금속 배선 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 1a 내지 도 1e는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 금속 배선 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
먼저, 도 1a에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(1)상에 포토 다이오드, 트랜지스터, 커패시터 등의 반도체 소자를 형성한다. 도면에서는 반도체 소자로써 게이트 단자(G), 소오스/드레인 단자(S,D)를 구비한 MOS 트랜지스터를 도시하였다.
그리고, 전면에 보호막(2)을 증착한다.
도 1b에 도시한 바와 같이, 사진 식각 공정을 이용하여 상기 보호막을 선택적으로 제거하므로 상기 반도체 소자의 게이트 단자(G) 또는/그리고 소오스/드레인 단자(S,D)들이 노출되도록 상기 보호막(2)에 제 1 콘택 홀(3)들을 형성한다. 그리고, 상기 제 1 콘택 홀(3)이 형성된 보호막(2)위에 상기 각 제 1 콘택 홀(3)이 채워지도록 금속층(예를들면, 텅스텐)을 증착한 후, CMP 공정을 진행하여 상기 제 1 콘택 홀(3)에 상기 금속층으로된 제 1 콘택 플러그(4)를 형성한다.
도 1c에 도시한 바와 같이, 상기 보호막(2)위에 배선용 금속 물질을 증착한 후 패터닝하여 상기 제 1 콘택 플러그(4)에 전기적으로 연결되도록 제 1 금속 배선(5)을 형성한다. 그리고, 상기 제 1 금속 배선(5)을 포함한 전면에 USG(Undoped Silicate Glass) 산화막 등을 증착하여 제 1 층간절연막(6)을 형성한다.
이 때, 상기 제 1 층간절연막(6)은 하부의 제 1 금속 배선(5)의 단차에 의해 평탄하게 형성되지 아니하고, 표면에 굴곡을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 제 1 층간절연막(6)을 평탄화하기 위한 화학적 기계적 연마(CMP; Chemical Mechanical Polising) 공정을 실시할 수 있다.
도 1d에 도시한 바와 같이, 사진 식각 공정을 이용하여 상기 제 1 층간절연막(6)을 선택적으로 제거하여 상기 제 1 금속 배선(5)상에 제 2 콘택 홀(7)들을 형성한다. 그리고, 상기 제 2 콘택 홀(7)이 형성된 제 1 층간절연막(6)위에 상기 제 2 콘택 홀(7)들이 채워지도록 금속층(텅스턴)을 증착한 후, CMP 공정을 진행하여 상기 제 2 콘택 홀(7)내에 제 2 콘택 플러그(8)를 형성한다.
도 1e에 도시한 바와 같이, 상기 제 2 층간 절연막(6)위에 배선용 금속 물질을 증착한 후 패터닝하여 상기 제 2 콘택 플러그(8)에 전기적으로 연결되도록 제 2 금속 배선(9)을 형성한다.
상기와 같은 과정을 반복하여, 금속 배선과 콘택 플러그를 형성하여 다층의 금속 배선을 형성한다.
그러나, 이와 같은 종래의 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.
즉, 종래의 반도체 소자의 다층 금속 배선 형성 시, 하부 금속 배선위에 층 간 절연막을 증착하고 상기 층간절연막을 선택적으로 제거하여 콘택 홀을 형성한 다음, 상기 콘택홀내에 콘택 플러그를 형성하고, 다시 그위에 상부 금속 배선을 형성한다.
따라서, 상기 콘택 부위의 층간 절연막상에 파티클 등의 이물질이 존재할 경우, 상기 하부 금속 배선이 완전히 노출되도록 콘택 홀이 형성되지 않거나, 부분적으로 하부 금속 배선이 노출되도록 콘택 홀이 형성될 수 있다. 이와 같이 콘택 홀이 완전하게 이루어 지지 않을 경우, 금속 배선이 오픈되어 반도체 소자에 불량이 발생되거나, 접촉 저항이 증가되어 동작 속도가 저하되는 등의 문제가 발생한다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 적어도 2개의 금속층을 차례로 증착하고 2번의 식각 공정에 의해 콘택 플러그와 금속 배선을 일체로 형성하므로, 콘택 불량을 방지하고, 금속 배선의 저항을 줄여 동작 속도를 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법은, 반도체 소자가 구비된 반도체 기판상에 보호막을 형성하는 제 1 단계; 상기 보호막에 콘택 홀을 형성하여 상기 콘택홀 내에 제 1 콘택 플러그를 형성하는 제 2 단계; 상기 제 1 콘택 플러그를 포함한 기판 전면에 적어도 2개의 금속 층을 차례로 형성하는 제 3 단계; 상기 적어도 2개의 금속층중 하나를 선택적으로 식각하여 제 2 콘택 플러그를 형성하는 제 4 단계; 상기 적어도 2개의 금속층 중 나머지 금속층을 선택적으로 식각하여 금속 배선을 형성하는 제 5 단계; 상기 제 2 콘택 플러그의 상부 표면에 노출되도록 상기 제 2 콘택 플러그 및 금속 배선상에 층간 절연막을 형성하는 제 6 단계를 포함하여 이루어짐에 그 특징이 있다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.
다층 금속 배선 형성 시, 콘택 홀을 형성하여 금속 배선 간을 전기적으로 연결하지 않고, 배선용 및 콘택 플러그용 금속층을 증착한 후, 상기 배선용 및 콘택 플러그용 금속층을 2번에 걸쳐 선택적으로 식각하여 금속 배선 및 콘택 플러그를 일체로 형성하므로 금속 배선 간의 콘택 불량을 방지하고 금속 배선과 콘택 플러그 간의 접촉 저항을 최소로 하므로 반도체 소자의 동작 속도를 향상시킬 수 있다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2a 내지 2e는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 나타낸 공정 단면도이다.
도 2a에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(11)상에 포토 다이오드, 트랜지스터, 커패시터 등의 반도체 소자를 형성한다. 도면에서는 반도체 소자로써 게이트 단자(G), 소오스/드레인 단자(S,D)를 구비한 MOS 트랜지스터를 도시하였다.
그리고 전면에 보호막(12)과 USG(Undoped Silicate Glass) 산화막 등의 제 1 층간 절연막(14)을 차례로 증착하고, 사진 식각 공정으로 상기 제 1 층간 절연막(14) 및 보호막(12)을 선택적으로 제거하여 상기 반도체 소자의 게이트 단자(G) 또는/그리고 소오스/드레인 단자(S,D)들이 노출되도록 상기 제 1 층간 절연막(14) 및 보호막(12)에 콘택 홀(13)들을 형성한다.
상기 콘택 홀(13)들이 형성된 제 1 층간 절연막(14)위에 상기 각 콘택 홀(13)이 채워지도록 금속층(예를들면, 텅스텐)을 증착한 후, CMP 공정을 진행하여 상기 각 콘택 홀(13)들내에 제 1 콘택 플러그(15)를 형성한다. 상기 제 1 콘택 플러그(15)는 단일 금속층으로 형성할 수 있고 베리어 금속층 및 금속층이 적층된 이중 구조로 형성할 수 있다.
도 2b에 도시한 바와 같이, 상기 제 1 콘택 플러그(15)를 포함한 상기 제 1 층간 절연막(14) 전면에 제 1 금속층(16), 제 2 금속층(17) 및 제 3 금속층(18)을 차례로 형성한다.
여기서, 상기 제 1 및 제 3 금속층(16, 18)은 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금 또는 구리 알루미늄 합금 등으로 형성하고 제 2 금속층(17)은 티타늄, 질화 티타늄 또는 이들의 합금으로 형성한다. 그리고, 상기 제 1 금속층(16)은 제 1 금속 배선의 기능을 하고, 제 2 금속층은 에치 스토퍼(etch stoper) 역할을 하며, 제 3 금속층(18)은 제 2 콘택 플러그 역할을 하게 된다. 따라서, 상기 제 1 내지 제 3 금속층의 두께는 금속 배선의 두께 및 제 2 콘택 플러그의 깊이를 감안 하여 형성한다.
도 2c에 도시한 바와 같이, 상기 제 3 금속층(18) 전면에 제 1 감광막(19)을 증착하고 노광 및 현상하여 제 2 콘택 플러그가 형성될 부분에만 남도록 상기 제 1 감광막(19)을 패터닝한다.
그리고, 상기 패터닝된 제 1 감광막(19)을 마스크로 이용하여 상기 제 2 금속층(17)의 표면이 노출되도록 상기 제 3 금속층(18)을 선택적으로 식각하여 제 2 콘택 플러그(18a)를 형성한다. 즉, 상기 제 2 금속층(17)은 상기 제 3 금속층(18) 식각 시 에치 스토퍼 역할을 한다.
도 2d에 도시한 바와 같이, 제 1 감광막(19)을 제거하고, 상기 반도체 기판 전면에 제 2 감광막(20)을 증착하고 노광 및 현상하여 제 1 금속 배선이 형성될 부분에만 남도록 상기 제 2 감광막(20)을 패터닝한다.
그리고, 상기 패터닝된 제 2 감광막(20)을 마스크로 이용하여 상기 제 2 금속층(17) 및 제 1 금속층(16)을 선택적으로 제거하여 제 1 금속 배선(16a, 17a)를 형성한다.
도 2e에 도시한 바와 같이, 상기 반도체 기판(11) 전면에 상기 제 1 금속 배선(16a, 17a) 및 제 2 콘택 플러그(18a)를 완전히 함몰하도록 제 2 층간 절연막(21)을 증착한다.
그리고, CMP 공정으로 상기 제 2 콘택 플러그(18a)의 표면에 노출되도록 상기 제 2 층간 절연막(21)을 가공하여 평탄화 한다.
그리고, 도면에는 도시되지 않았지만, 상기 도 2b 내지 도 2e와 같은 과정을 반복하여, 금속 배선과 콘택 플러그를 형성하여 다층의 금속 배선을 형성한다.
도 1a 내지 1e는 종래의 반도체 소자의 금속 배선 공정 단면도
도 2a 내지 2e는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 나타낸 공정 단면도
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11: 반도체 기판 12: 보호막
13: 콘택 홀 14, 21: 층간 절연막
15, 18a: 콘택 플러그 16, 17, 18: 금속층
19, 20: 감광막 16a, 17a: 금속 배선

Claims (6)

  1. 반도체 소자가 구비된 반도체 기판상에 보호막을 형성하는 제 1 단계;
    상기 보호막에 콘택 홀을 형성하여 상기 콘택홀 내에 제 1 콘택 플러그를 형성하는 제 2 단계;
    상기 제 1 콘택 플러그를 포함한 기판 전면에 적어도 2개의 금속층을 차례로 형성하는 제 3 단계;
    상기 적어도 2개의 금속층중 하나를 선택적으로 식각하여 제 2 콘택 플러그를 형성하는 제 4 단계;
    상기 적어도 2개의 금속층 중 나머지 금속층을 선택적으로 식각하여 금속 배선을 형성하는 제 5 단계;
    상기 제 2 콘택 플러그의 상부 표면에 노출되도록 상기 제 2 콘택 플러그 및 금속 배선상에 층간 절연막을 형성하는 제 6 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 단계 내지 제 6 단계를 반복하여 다층의 금속 배선을 형성함을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 콘택 플러그는 단일 금속층 또는 베리어 금속층 및 금속층이 적층된 이중 구조로 형성됨을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 금속층은 제 1 금속층, 제 2 금속층 및 제 3 금속층을 차례로 형성하고, 상기 제 3 금속층을 선택적으로 식각하여 제 2 콘택 플러그를 형성함을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 3 금속층은 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금 또는 구리 알루미늄 합금 등으로 형성하고, 상기 제 2 금속층은 티타늄, 질화 티타늄 또는 이들의 합금으로 형성함을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 층간 절연막을 형성하는 방법은, 상기 반도체 기판 전면에 상기 금속 배선 및 제 2 콘택 플러그를 완전히 함몰하도록 상기 층간 절연막을 증착하는 단계와,
    CMP 공정으로 상기 제 2 콘택 플러그의 표면에 노출되도록 상기 층간 절연막을 가공하여 평탄화 하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
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