KR20090069488A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로서, 특히 다마신(damascene) 공정을 이용하여 금속 배선을 형성하는 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a method for manufacturing a semiconductor device in which metal wirings are formed using a damascene process.
반도체 소자의 제조 공정은 실리콘 기판에 트랜지스터를 형성하는 기판 공정(Front End of the Line; FEOL)과 배선을 형성하는 배선 공정(Back End Of the Line; BEOL)으로 구분된다. 배선 기술은 반도체 집적 회로의 개별 트랜지스터를 서로 연결하여 회로를 구성하는 전원 공급 및 신호 전달의 통로를 실리콘 위에 구현하는 기술이다.The semiconductor device manufacturing process is divided into a front end of the line (FEOL) and a wiring end (Back End Of the Line) BEOL. Wiring technology connects individual transistors of a semiconductor integrated circuit to each other to implement a power supply and signal transmission path that constitutes a circuit on silicon.
90㎚ 이하 공정에서는 패턴 상의 문제와 면 저항(Rs) 등의 문제를 해결하기 위해, 금속으로서 알루미늄(Al) 대신에 높은 EM(Electro-migration) 내성을 갖는 재료인 구리(Cu)를 이용한 배선 기술이 활발히 개발되고 있다. 그런데, 구리는 특성상 건식 식각이 용이하지 않고 공정 중에 산화되기 때문에, 일반적인 금속 공정과는 달리 다마신(damascene) 공정 기술을 통해 구리 금속 배선을 형성한다. 특히, 듀얼 다마신(dual damascene) 공정에서는 층간 절연막(IMD:InterMetallic Dielectric layer)에 비아 홀(via hole)과 트렌치(trench)를 형성한 후, 전기 화학 도금법(ECP:electroChemical Plating)을 이용하여 비아 홀 및 트렌치에 구리를 매립하고, 화학 기계적 연마(CMP:Chemical Mechanical Polishing) 공정으로 평탄화시킴으로써 구리 배선을 형성하게 된다.In the process below 90nm, wiring technology using copper (Cu), which is a material having high EM (electro-migration) resistance instead of aluminum (Al) as a metal, to solve problems on the pattern and surface resistance (Rs). This is actively being developed. However, since copper is not easily dry etched in nature and oxidized in the process, copper metal wirings are formed through a damascene process technology, unlike a general metal process. In particular, in a dual damascene process, a via hole and a trench are formed in an intermetallic dielectric layer (IMD), and then via an electrochemical plating (ECP) method. Copper wirings are formed by embedding copper in the holes and trenches and planarizing them by a chemical mechanical polishing (CMP) process.
전술한 바와 같이 다마신 공정에 의해 구리 배선을 형성할 경우, ECP를 통해 채워진 구리는 그레인 크기(Grain Size)가 작기 때문에 EM 불량(Fail)을 유발할 수 있다. 왜냐하면, 그레인 크기가 작으면 그레인이 만나는 지점(Triple Point)이 많아지고, 그레인 경계(Grain Boundary)를 통해 이동하는 전자는 이러한 지점들이 많아질수록 EM 불량으로 이어질 가능성이 높기 때문이다. 따라서, 노(furnace)를 이용한 300℃의 어닐링(annealing)을 통해 그레인을 성장시키는 공정을 거치게 된다. 그러나, 이러한 어닐링은 노를 이용하므로 많은 시간을 소비하는 문제점이 있다.As described above, when the copper wiring is formed by the damascene process, the copper filled through the ECP may cause an EM failure due to the small grain size. This is because the smaller the grain size, the more the triple points where the grains meet, and the more electrons moving through the grain boundary, the more likely these points are to lead to EM failure. Therefore, the process of growing the grain through annealing (annealing) of 300 ℃ using a furnace (furnace). However, this annealing uses a furnace, so there is a problem of spending a lot of time.
도 1a 및 1b는 일반적인 반도체 소자의 제조 방법에 의해 제조된 금속 배선의 모습을 나타낸다. 도 1b는 도 1a에 도시된 스크래치(scratch)(10)를 확대한 사진이다.1A and 1B show a state of a metal wiring manufactured by a general method of manufacturing a semiconductor device. FIG. 1B is an enlarged photograph of the
구리는 모스 경도가 3.0 정도로 매우 무른 편이기 때문에, CMP 공정을 수행하는 과정에서 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같은 스크래치(10)가 발생할 수 있다. 이 스크래치(10)는 후속 공정에서 브릿지(bridge)를 유발하여 불량의 원인이 될 수 있다.Since copper has a very low Mohs hardness of 3.0, the
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 다마신 공정에서 구리 금속 배선을 형성할 때 야기되는 구리 금속 배선의 스크래치(scratch)의 영향을 급속 열 처리에 의해 최소화시킬 수 있고 구리의 그레인(grain) 성장을 촉진시킬 수 있는 반도체 소자의 제조 방법을 제공하는 데 있다.The technical problem to be achieved by the present invention is to minimize the influence of scratch of the copper metal wiring caused by the formation of the copper metal wiring in the damascene process by rapid heat treatment and to reduce the grain growth of copper It is to provide a method for manufacturing a semiconductor device that can be promoted.
상기 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 반도체 소자의 제조 방법은, 반도체 기판 상에 층간 절연막을 형성하는 단계와, 상기 층간 절연막에 비아 홀과 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 비아 홀과 트렌치 내부에 구리 도금층을 형성하는 단계와, 상기 구리 도금층을 평탄화하여 구리 금속 배선을 형성하는 단계 및 상기 구리 금속 배선을 급속 열처리하는 단계로 이루어지는 것이 바람직하다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating a semiconductor device, the method including forming an interlayer insulating film on a semiconductor substrate, forming a via hole and a trench in the interlayer insulating film, and forming a copper inside the via hole and the trench. Forming a plating layer, planarizing the copper plating layer to form a copper metal wiring, and a step of rapid heat treatment of the copper metal wiring.
본 발명에 의한 반도체 소자의 제조 방법은 평탄화 공정의 전과 후에 급속 열처리를 수행하기 때문에, 다마신 공정에서 구리 금속 배선을 형성할 때 평탄화 공정에 의해 야기되는 구리 금속 배선의 스크래치(scratch)의 영향을 최소화시킬 수 있을 뿐만 아니라 불가피하게 발생된 스크래치에 대해서도 최대한으로 옅어지게 치유할 수 있어 스크래치로 인해 후속되는 공정에서 야기될 수 있는 브릿지 문제(bridge issue)를 줄일 수 있고, 구리의 그레인(grain) 성장을 촉진시켜 EM 특성이 일반적인 경우보다 더 개선될 수 있으며, 어닐링 대신에 급속 열처리를 수행하 므로 공정 시간을 단축시킬 수도 있는 효과를 갖는다.Since the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention performs rapid heat treatment before and after the planarization process, the influence of scratches of the copper metal interconnect caused by the planarization process when forming a copper metal interconnect in the damascene process is affected. Not only can it be minimized, but it can also be healed as thinly as possible against inevitable scratches, reducing the bridge issues that can be caused by subsequent processes due to scratches, and growing grain of copper. By promoting the EM properties can be further improved than the general case, because the rapid heat treatment instead of annealing has the effect that can shorten the process time.
이하, 본 발명에 의한 반도체 소자의 제조 방법의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 다음과 같이 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, an embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described as follows.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다. 도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 실시예에 의한 반도체 소자의 제조 방법에 따른 공정 단면도들이다.2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention. 3A to 3H are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.
도 3a를 참조하면, 반도체 기판(200) 또는 하부 금속 배선(미도시)의 상부에 장벽 절연막(202)과 층간 절연막(204)을 순차적으로 적층하여 형성한다(제100 단계). 층간 절연막(204)은 FSG(FluoroSilicate Glass)와 같은 절연막을 사용할 수도 있지만, 다공성(porosity) 산화물 같이 낮은 저 유전 상수 값(low-k)을 갖는 다공성 저 유전막을 사용할 수도 있다. k값을 극단적으로 2.4 이하로 관리하기 위해 저 유전막에 기공(pore)을 만들어준다.Referring to FIG. 3A, the
제100 단계 후에, 층간 절연막(204)에 비아 홀(300B)과 트렌치(310)를 형성한다(제102 단계). 즉, 도 3b에 도시된 바와 같이, 제1 감광막 패턴(미도시)을 층간 절연막(204)의 상부에 형성하고, 제1 감광막 패턴을 이용한 사진 및 식각 공정에 의해 층간 절연막(204)의 내부에 비아 홀(300A)을 형성한다. 이후, 제1 감광막 패턴을 제거한 후, 층간 절연막(204A)의 상부에 제2 감광막 패턴(미도시)을 형성하고 제2 감광막 패턴을 이용한 사진 식각 공정에 의해 층간 절연막(204)의 내부에 비아 홀(300A)의 위로 트렌치(310)를 형성한다. 이후, 제2 감광막 패턴을 제거한다.After the 100th step, the
이후, 도 3d에 도시된 바와 같이, 비아 홀(300B)과 트렌치(310)의 내벽에 장벽 금속막(206)을 형성할 수 있다. 장벽 금속막(206)은 추후 형성되는 구리 도금층(208C)이 층간 절연막(204B)으로 확산되는 것을 방지하는 역할을 한다. 장벽 금속막(206)은 PVD(Physical Vapor Deposition)법, CVD(Chemical Vapor Deposition)법 또는 ALD(Atomic Layer Deposition)법에 의해 증착될 수 있다. 또한, TaN, Ta, TaN/Ta, TiSiN, WN, TiZrN, TiN 또는 Ti/TiN 같은 물질을 증착하여 장벽 금속막(206)을 형성할 수 있다.Thereafter, as illustrated in FIG. 3D, the
도 3e에 도시된 바와 같이, 제102 단계 후에, 비아 홀(300B)과 트렌치(310) 내부 뿐만 아니라 층간 절연막(204B)의 상부에 구리 도금층(208)을 형성한다(제104 단계). 구리 도금층(208)은 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 예컨대, 구리 도금층(208)은 PVD법, CVD법 또는 전기 화학 도금법(ECP)에 의해 형성될 수 있다. 만일, 구리 도금층(208)을 전기 화학 도금법에 의해 형성할 경우, 도 3d에 도시된 장벽 금속막(206)과 층간 절연막(204B)의 전면에 시드(seed) 구리막을 PVD 또는 CVD법에 의해 증착한 후, 그 결과를 전해액에 담가 도 3e에 도시된 바와 같이 구리 도금층(208)을 형성(fill)할 수 있다.As shown in FIG. 3E, after the 102 step, the
도 3f에 도시된 바와 같이, 제104 단계 후에, 구리 도금층(208)을 급속 열처리(RTP:Rapid Thermal Process)(210)한다(제106 단계).As shown in FIG. 3F, after
도 3g에 도시된 바와 같이, 제106 단계 후에, 구리 도금층(208A)을 평탄화하여 구리 금속 배선(208B)을 형성한다(제108 단계). 여기서, 평탄화는 화학 기계적 연마(CMP) 공정에 의해 수행될 수 있다.As shown in FIG. 3G, after
도 3h에 도시된 바와 같이, 제108 단계 후에, 구리 금속 배선(208B)을 급속 열처리(220)한다(제110 단계). 두 번의 급속 열처리들(210 및 220)에 의해 완성된 구리 금속 배선(208C)은 종래와 같은 스크래치가 최소화되거나 최대한으로 치유될 수 있다. 제106 및 제108 단계들에서 수행되는 급속 열처리에 사용되는 가스로서, 아르곤(Ar), 질소(N2) 또는 수소(H2)가 이용될 수 있다.As shown in FIG. 3H, after
본 발명의 일 실시예에 의하면, 급속 열 처리를 전술한 바와 같이 평탄화 공정의 전후에 수행한다. 그러나, 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 평탄화 공정 이전의 급속 열처리는 생략되고 평탄화 공정 이후의 급속 열처리만을 수행할 수도 있다.According to one embodiment of the invention, rapid heat treatment is carried out before and after the planarization process as described above. However, according to another embodiment of the present invention, the rapid heat treatment before the planarization process may be omitted, and only the rapid heat treatment after the planarization process may be performed.
전술한 도 2에 도시된 본 발명에 의한 반도체 소자의 제조 방법을 도 3a 내지 도 3h를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 국한되지 않는다. 예컨대, 금속 배선(208C)의 상부에 다른 금속 배선이 다층으로 형성될 수도 있으며 이 경우에도 본 발명은 적용될 수 있다. 또한, 전술한 본 발명에 의한 반도체 소자의 제조 방법을 싱글 다마신 공정에도 적용될 수 있다.The method of manufacturing the semiconductor device according to the present invention shown in FIG. 2 described above has been described with reference to FIGS. 3A to 3H, but the present invention is not limited thereto. For example, another metal wiring may be formed in multiple layers on top of the
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiment and the accompanying drawings, and it is common in the art that various substitutions, modifications, and changes can be made without departing from the technical spirit of the present invention. It will be evident to those who have knowledge of.
도 1a 및 1b는 일반적인 반도체 소자의 제조 방법에 의해 제조된 금속 배선의 모습을 나타낸다.1A and 1B show a state of a metal wiring manufactured by a general method of manufacturing a semiconductor device.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 실시예에 의한 반도체 소자의 제조 방법에 따른 공정 단면도들이다.3A to 3H are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
200 : 반도체 기판 202 : 장벽 절연막200
204 : 층간 절연막 206 : 금속 장벽막204: interlayer insulating film 206: metal barrier film
208 : 구리 도금층 210, 220 : 급속 열처리208:
208C : 구리 금속 배선208C: Copper Metal Wiring
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KR1020070137174A KR20090069488A (en) | 2007-12-26 | 2007-12-26 | Method for manufacturing semiconductor device |
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KR1020070137174A KR20090069488A (en) | 2007-12-26 | 2007-12-26 | Method for manufacturing semiconductor device |
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KR (1) | KR20090069488A (en) |
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2007
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