KR20100036612A - Method for forming via of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자의 비아(via) 형성 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 소자에 포함된 금속배선의 전기적인 연결을 위한 비아를 형성하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of forming a via of a semiconductor device, and more particularly, to a method of forming a via for electrical connection of a metal wiring included in a semiconductor device.
반도체 소자 중에서 시모스 이미지 센서(CMOS image sensor)는 빛에너지를 전기신호로 변환하는 역할을 수행하는 수십만 내지 수백만 화소를 포함하는 집적회로가 내장되어 사람 또는 사물 등 눈에 보이는 원래의 이미지를 이미지 센서 내에서 전기신호로 변환해 출력하는 반도체 소자이다.Among the semiconductor devices, CMOS image sensor has an integrated circuit including hundreds of thousands to millions of pixels that convert light energy into an electrical signal. Is a semiconductor device that converts and outputs an electrical signal.
이러한 시모스 이미지 센서는 다수의 픽셀(pixel)로 이루어지며, 각 픽셀은 그 구조에 따라 포토 다이오드(photo diode)와 적어도 하나 이상의 트랜지스터(예컨대, MOSFET)를 포함한다. 외부에서 수광부인 포토 다이오드로 빛이 입사되면 이에 비례하여 빛에너지는 포토 다이오드를 통해 전기신호로 변환되고, 이 전기신호 는 트랜지스터를 통해 출력된다. 이를 위해, 전기신호와 각 트랜지스터의 동작을 제어하기 위한 제어신호들이 전달되도록 하기 위한 다수의 금속배선을 포함한다. 금속배선은 반도체 기판에 형성된 포토 다이오드와 중첩(overlay)되지 않는 위치에 형성하여 외부에서 포토 다이오드로 입사되는 빛이 금속배선에 의해 차단되는 것을 방지한다.The CMOS image sensor is composed of a plurality of pixels, each pixel including a photo diode and at least one transistor (eg, a MOSFET) according to its structure. When light is incident on the photodiode, which is a light receiving unit, light energy is converted into an electrical signal through the photodiode, and the electrical signal is output through the transistor. To this end, it includes a plurality of metal wires for transmitting the electrical signal and the control signals for controlling the operation of each transistor. The metal wiring is formed at a position that does not overlap with the photodiode formed on the semiconductor substrate to prevent light incident to the photodiode from being externally blocked by the metal wiring.
한편, 시모스 이미지 센서의 특성을 비교할 때에 크게 세 가지의 특성을 비교한다. 다크 시그널(dark signal), 다크 디펙트(dark defect), 화이트 시그널(white signal)이 그것이다. 그런데 이 중 저조도에서 이상 픽셀 시그널(pixel signal)의 척도를 나타내는 것이 다크 디펙트이며, 이러한 다크 디펙트는 금속배선을 위한 비아 형성 공정에 의해 영향을 받는다.On the other hand, when comparing the characteristics of the CMOS image sensor, three characteristics are compared. The dark signal, the dark defect, and the white signal. However, one of the dark defects, which indicates a measure of an abnormal pixel signal at low light, is affected by the via formation process for metallization.
도 1은 종래 기술에 따른 비아 형성 방법에 의해 비아를 형성한 반도체 소자의 단면도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 비아 형성 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.1 is a cross-sectional view of a semiconductor device in which vias are formed by a via formation method according to the prior art, and FIG. 2 is a flowchart illustrating a via formation method according to the prior art.
도 1 및 도 2를 참조하여 종래 기술에 따른 반도체 소자의 비아 형성 방법을 설명하면 다음과 같다.A via forming method of a semiconductor device according to the prior art will be described with reference to FIGS. 1 and 2 as follows.
먼저, 반도체 기판 또는 산화막 등의 하부층(11) 위에 금속배선(13, 15, 17)을 형성한다. 금속배선(13, 15, 17)은 예컨대, 알루미늄(Al)을 증착한 금속막(15)과 티타늄막(Ti)/티타늄질화막(TiN)을 순차로 증착한 하부 장벽막(13) 및 상부 장벽막(17)으로 형성한다. 이후, 상부 장벽막(17)과 금속막(15) 및 하부 장벽막(13)을 감광막 패턴을 이용하여 식각하여 금속배선(13, 15, 17)을 패터닝한다(S31).First,
그리고, 패터닝에 의해 노출된 하부층(11)과 금속배선(13, 15, 17) 상에 층간절연막으로 이용되는 IMD(Inter Metal Dielectric)막(19)을 형성하며(S33), 화학기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정을 수행하여 IMD막(19)을 평탄화한다(S35).In addition, an IMD (Inter Metal Dielectric)
이어서, 평탄화한 IMD막(19) 상에 외부의 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위하여 예컨대, 실리콘질화막(SiN)을 증착하여 장벽막(21)을 형성한다(S37).Subsequently, for example, a silicon nitride film (SiN) is deposited on the
다음으로, 장벽막(21) 상에 비아 영역을 정의하는 감광막 패턴(23)을 형성하며(S39), 감광막 패턴(23)을 식각마스크로 이용하는 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching; RIE) 공정을 수행하여 감광막 패턴(23)에 의해 개방된 장벽막(21)과 IMD막(19)을 순차로 건식 식각하여 비아(25)를 형성한다(S41).Next, a
전술한 바와 같이 종래 기술에 따른 반도체 소자의 비아 형성 방법에 의하면 비아를 형성하기 위해 금속배선 상부의 막들을 식각함에 있어서 반응성 이온 식각 공정을 수행하는 것을 알 수 있다.As described above, according to the method of forming a via of a semiconductor device according to the related art, it can be seen that a reactive ion etching process is performed to etch films on the metal wiring to form a via.
그런데, 이러한 종래 기술에 의하면 반응성 이온 식각 시에 플라즈마 데미지(plasma damage)가 발생하며, 이로 인해 다크 디펙트가 발생할 우려가 있다. 이는 반도체 소자의 특성, 특히 시모스 이미지 센서의 감도를 저하시키는 문제점이 있다.However, according to the related art, plasma damage occurs during reactive ion etching, and thus dark defects may occur. This has a problem of decreasing the characteristics of the semiconductor device, in particular the sensitivity of the CMOS image sensor.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안한 것으로서, 비아 형성을 위한 식각 공정에 반응성 이온 식각을 이용하지 않고 습식 식각을 적용하여 플라즈마 데미지의 발생을 차단함으로써 반도체 소자의 특성을 향상시킨다.The present invention has been proposed to solve the problems of the prior art, and improves the characteristics of the semiconductor device by blocking the generation of plasma damage by applying wet etching to the etching process for forming vias without using reactive ion etching.
본 발명에 따른 반도체 소자의 비아 형성 방법은, 하부층 위에 금속배선을 형성한 후에 패터닝하는 단계와, 상기 패터닝에 의해 노출된 상기 하부층과 상기 금속배선 상에 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 층간절연막 상에 장벽막을 형성하는 단계와, 상기 장벽막 상에 비아 영역을 정의하는 하드마스크 패턴을 형성하는 단계와, 상기 하드마스크 패턴을 식각마스크로 이용하는 습식 식각을 진행하여 상기 장벽막의 개방 영역을 선택적으로 제거하는 단계와, 습식 식각을 통해 상기 하드마스크 패턴과 상기 층간절연막의 개방 영역을 제거하여 상기 금속배선에까지 이르는 비아를 형성하는 단계를 포함한다.In the method of forming a via of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, a method of forming a via is formed by forming a metal wiring on a lower layer, and forming an interlayer insulating film on the lower layer and the metal wiring exposed by the patterning. Forming a barrier layer on the barrier layer, forming a hard mask pattern defining a via region on the barrier layer, and wet etching using the hard mask pattern as an etch mask to selectively select an open region of the barrier layer. And removing the open regions of the hard mask pattern and the interlayer insulating layer through wet etching to form vias that reach the metal wiring.
여기서, 상기 층간절연막을 형성하는 단계는, 상기 하부층 상에 상기 금속배선의 높이로 평탄화된 제 1 IMD막을 형성하는 단계와, 상기 제 1 IMD막과 상기 금속배선 상에 제 2 IMD막을 형성하는 단계를 포함한다.The forming of the interlayer insulating film may include forming a first IMD film planarized to a height of the metal wiring on the lower layer, and forming a second IMD film on the first IMD film and the metal wiring. It includes.
상기 하드마스크 패턴을 형성하는 단계는, 상기 장벽막 상에 산화막을 형성하는 단계와, 감광막 패턴을 이용한 상기 산화막에 대한 습식 식각을 통해 상기 비아 영역을 개방하는 단계를 포함한다.The forming of the hard mask pattern may include forming an oxide layer on the barrier layer and opening the via region through wet etching of the oxide layer using a photoresist pattern.
상기 하드마스크 패턴을 형성하는 단계는, 상기 층간절연막과 동일한 재질로 상기 하드마스크 패턴을 형성한다.In the forming of the hard mask pattern, the hard mask pattern is formed of the same material as the interlayer insulating layer.
상기 비아를 형성하는 단계는, 상기 하드마스크 패턴과 상기 장벽막에 대한 상대적인 식각율에 있어서 상기 하드마스크 패턴의 식각율이 더 높은 식각액을 이용한다.In the forming of the via, an etchant having a higher etching rate of the hard mask pattern is used in a relative etching rate of the hard mask pattern and the barrier layer.
상기 장벽막의 개방 영역을 선택적으로 제거하는 단계는, 상기 하드마스크 패턴과 상기 장벽막에 대한 상대적인 식각율에 있어서 상기 장벽막의 식각율이 더 높은 식각액을 이용한다.The step of selectively removing the open area of the barrier layer uses an etchant having a higher etch rate of the barrier layer in an etching rate relative to the hard mask pattern and the barrier layer.
본 발명에 의하면, 비아 형성을 위한 식각 공정에 반응성 이온 식각을 이용 하지 않고 습식 식각을 적용하여 플라즈마 데미지의 발생을 차단함으로써 반도체 소자의 특성을 향상시킨다. 특히 시모스 이미지 센서에서 플라즈마 데미지에 의해 발생할 수 있는 다크 디펙트의 발생을 차단하여 감도를 향상시키는 효과가 있다.According to the present invention, wet etching is applied to the etching process for forming vias to prevent plasma damage by applying wet etching to improve the characteristics of the semiconductor device. In particular, the CMOS image sensor has an effect of improving the sensitivity by blocking the occurrence of dark defects that may be caused by plasma damage.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, in describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 비아 형성 방법을 설명하기 위한 반도체 소자의 단면도들이며, 도 4는 본 발명에 따른 비아 형성 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.3A to 3E are cross-sectional views of a semiconductor device for describing a method of forming a via according to the present invention, and FIG. 4 is a flowchart illustrating a method of forming a via according to the present invention.
도 4를 참조하여 본 발명에 따른 비아 형성 방법을 공정 흐름을 살펴보면, 하부층 위에 금속배선을 형성한 후에 패터닝하는 단계(S201)와, 하부층 상에 제 1 층간절연막으로 이용되는 제 1 IMD막을 형성하는 단계(S203)와, 제 1 IMD막을 금속배선의 높이로 평탄화하는 단계(S205)와, 제 1 IMD막과 금속배선 상에 제 2 IMD막을 형성하는 단계(S207)와, 제 2 IMD막 상에 장벽막을 형성하는 단계(S209)와, 장벽막 상에 제 2 IMD막과 동일한 재질로 하드마스크를 형성한 후에 감광막 패턴을 이용한 하드마스크에 대한 습식 식각을 통해 비아 영역을 개방하여 정의하는 하드마스크 패턴을 형성하는 단계(S211)와, 하드마스크 패턴과 장벽막에 대한 상대적인 식각율에 있어서 장벽막의 식각율이 더 높은 식각액을 이용하여 하드마스크 패턴을 식각마스크로 이용하는 습식 식각을 진행하여 장벽막의 개방 영역을 선택적으로 제거한 후에 하드마스크 패턴과 장벽막에 대한 상대적인 식각율에 있어서 하드마스크 패턴의 식각율이 더 높은 식각액을 이용하는 습식 식각을 통해 하드마스크 패턴과 층간절연막의 개방 영역을 제거하여 금속배선에까지 이르는 비아를 형성하는 단계(S213)를 포함한다.Referring to FIG. 4, a process flow of a method of forming a via according to an embodiment of the present invention is illustrated by forming and patterning a metal wiring on a lower layer (S201), and forming a first IMD layer used as a first interlayer insulating layer on a lower layer. Step S203, planarizing the first IMD film to the height of the metal wiring (S205), forming a second IMD film on the first IMD film and the metal wiring (S207), and on the second IMD film After forming the barrier layer (S209) and forming a hard mask on the barrier layer using the same material as the second IMD layer, the hard mask pattern is defined by opening the via region through wet etching of the hard mask using the photoresist pattern. (S211) and the wet etching using the hard mask pattern as an etching mask using an etching solution having a higher etching rate of the barrier film in the etching rate relative to the hard mask pattern and the barrier film. After the barrier layer is selectively removed, the hard mask pattern and the open area of the interlayer insulating layer are removed by wet etching using an etchant having a higher etching rate of the hard mask pattern in the relative etching rate to the barrier layer. To form vias up to the metallization (S213).
도 3a 내지 도 3e를 참조하여 본 발명에 따른 비아 형성 방법에 의한 반도체 소자의 제조 과정을 살펴보면 다음과 같다.Referring to FIGS. 3A to 3E, the manufacturing process of the semiconductor device by the via forming method according to the present invention will be described.
도 3a를 참조하면, 반도체 기판 또는 산화막 등의 하부층(101) 위에 금속배선(103, 105, 107)을 형성한다. 금속배선(103, 105, 107)은 예컨대, 알루미늄(Al)을 증착한 금속막(105)과 티타늄막(Ti)/티타늄질화막(TiN)을 순차로 증착한 이중막을 하부 장벽막(103) 및 상부 장벽막(107)으로 형성할 수 있다. 이후, 상부 장벽막(107)과 금속막(105) 및 하부 장벽막(103)을 감광막 패턴을 이용하여 식각하여 금속배선(103, 105, 107)을 패터닝한다(S201).Referring to FIG. 3A,
도 3b를 참조하면, 패터닝에 의해 노출된 하부층(101)과 금속배선(103, 105, 107) 상에 제 1 층간절연막으로 이용되는 제 1 IMD막(109)을 형성한다(S203). 예컨대, 제 1 IMD막(109)은 USG(Undoped Silicate Glass)막 등의 산화막을 증착하여 형 성한다. 그리고, 상부 장벽막(107)이 노출될 때까지 화학기계적 연마 공정을 수행하여 제 1 IMD막(109)을 평탄화한다. 즉 하부층(101) 상에 금속배선(103, 105, 107)의 높이로 평탄화된 제 1 IMD막(109)을 형성하는 것이다(S205).Referring to FIG. 3B, a
여기서, 화학기계적 연마 공정에 의해 상부 장벽막(107)이 데미지를 입을 수 있으므로 제 1 IMD막(109)을 형성하기 전에 하부층(101)과 금속배선(103, 105, 107) 상에 버퍼막(도시 생략됨)을 형성할 수도 있다.In this case, the
도 3c를 참조하면, 평탄화된 제 1 IMD막(109)과 금속배선(103, 105, 107) 상에 제 2 층간절연막으로 이용되는 제 2 IMD막(110)을 형성한다(S207). 제 2 IMD막(110)은 제 1 IMD막(109)의 재질과 동일한 재질로 형성하는 것이 바람직하며, 예컨대 USG막 등의 산화막을 2,700Å∼3,300Å의 두께로 증착하여 형성한다.Referring to FIG. 3C, a
한편, 본 실시예에서는 층간절연막으로 이용되는 IMD막을 형성함에 있어서 단계 S203과 단계 S207로 나누어서 형성하는 경우를 설명하였으나, 이처럼 2회에 걸쳐서 형성하는 두께와 동일한 두께를 한꺼번에 증착하여 형성한 후에 단계 S205의 평탄화를 수행할 수도 있다.Meanwhile, the present embodiment has been described in the case where the IMD film used as the interlayer insulating film is formed by dividing it into step S203 and step S207. However, after forming the same thickness as the thickness formed twice, the step S205 is formed at once. May be performed.
도 3d를 참조하면, 제 2 IMD막(110) 상에 외부의 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위하여 장벽막(111)을 형성한다(S209). 장벽막(111)은 제 2 IMD막(110)과 동일한 두께로 형성하는 것이 바람직하며, 예컨대 실리콘질화막(SiN) 등의 질화막을 2,700Å∼3,300Å의 두께로 증착하여 형성한다.Referring to FIG. 3D, a
그리고, 장벽막(111) 상에 비아 영역을 정의하는 하드마스크 패턴(113)을 형성한다(S211). 하드마스크 패턴(113)은 그 식각특성이 장벽막(111)의 식각특성과 비교할 때에 상이한 재질로 형성하는데, 제 2 IMD막(110)의 재질과 비교할 때에 동일한 재질로 형성할 수 있다. 예컨대, 제 2 IMD막(110)은 USG막 등의 산화막을 3,600Å∼4,400Å의 두께로 증착한 후에 감광막 패턴을 이용한 산화막에 대한 습식 식각을 통해 비아 영역을 개방하여 형성한다. 이때 식각액으로는 예컨대, 묽은 불산(buffered HF)을 이용하는데, 이 식각액은 USG막과 실리콘질화막에 대한 상대적인 식각율에 있어서 USG막의 식각율이 매우 높기 때문에 하드마스크 패턴(113)이 이상적으로 형성된다. 아울러 하드마스크 패턴(113)이 완성되면 세정 등을 통해 감광막 패턴을 제거한다.A
도 3e를 참조하면, 하드마스크 패턴(113)을 식각마스크로 이용하는 습식 식각을 진행하여 장벽막(111)의 개방 영역을 선택적으로 제거한다. 이때 식각액으로는 예컨대, 인산(H3PO4)을 이용하는데, 이 식각액은 USG막과 실리콘질화막에 대한 상대적인 식각율에 있어서 실리콘질화막의 식각율이 매우 높기 때문에 장벽막(111)의 개방 영역이 이상적으로 제거된다.Referring to FIG. 3E, wet etching using the
다음으로, 장벽막(111) 상의 하드마스크 패턴(113)과 제 2 IMD막(110)의 개방 영역을 습식 식각을 통해 제거하여 금속배선(103, 105, 107)에까지 이르는 비아(115)를 완성한다(S213). 이때 식각액으로는 예컨대, 묽은 불산을 이용하는데, 이 식각액은 USG막과 실리콘질화막에 대한 상대적인 식각율에 있어서 USG막의 식각율이 매우 높기 때문에 비아(115)가 이상적으로 형성된다.Next, the open area of the
지금까지 본 발명의 일 실시예에 국한하여 설명하였으나 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 가능성이 자명하다. 이러한 변형된 실시 예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.It has been described so far limited to one embodiment of the present invention, it is obvious that the technology of the present invention can be easily modified by those skilled in the art. Such modified embodiments should be included in the technical spirit described in the claims of the present invention.
도 1은 종래 기술에 따른 비아 형성 방법에 의해 비아를 형성한 반도체 소자의 단면도,1 is a cross-sectional view of a semiconductor device in which vias are formed by a via forming method according to the prior art;
도 2는 종래 기술에 따른 비아 형성 방법을 설명하기 위한 흐름도,2 is a flowchart illustrating a method of forming a via according to the prior art;
도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 비아 형성 방법을 설명하기 위한 반도체 소자의 단면도들,3A to 3E are cross-sectional views of a semiconductor device for describing a method of forming a via according to the present invention;
도 4는 본 발명에 따른 비아 형성 방법을 설명하기 위한 흐름도.4 is a flow chart illustrating a method of forming a via in accordance with the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
101 : 하부층 103 : 하부 장벽막101: lower layer 103: lower barrier film
105 : 금속막 107 : 상부 장벽막105: metal film 107: upper barrier film
109 : 제 1 IMD막 110 : 제 2 IMD막109: first IMD film 110: second IMD film
111 : 장벽막 113 : 하드마스크 패턴111: barrier film 113: hard mask pattern
115 : 비아115: Via
Claims (6)
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KR1020080095917A KR20100036612A (en) | 2008-09-30 | 2008-09-30 | Method for forming via of semiconductor device |
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2008
- 2008-09-30 KR KR1020080095917A patent/KR20100036612A/en not_active Application Discontinuation
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