KR20100079221A - 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법 - Google Patents

반도체 소자의 구리 배선 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법에 관한 것이다.
본 발명은, 하부 절연막(100)에 비아(110)를 형성하는 단계; 상기 하부 절연막(100)의 전면에 텅스텐(200)을 증착하여, 상기 텅스텐(200)으로 상기 비아(110)를 갭필하는 단계; 텅스텐 - CMP 공정을 진행하여 상기 하부 절연막(100)의 상부에 과도하게 증착된 텅스텐(200)을 제거하여 텅스텐 플러그(210)를 형성하는 단계; 텅스텐 - 에치백 공정을 진행하여 상기 하부 절연막(100)의 상부에 잔존하는 텅스텐(200)을 제거하는 단계; 상기 하부 절연막(100)의 상부에 상부 절연막(300)을 증착하는 단계; 식각 공정을 진행하여 상기 상부 절연막(300)에 트렌치(310)를 형성함으로써 상기 텅스텐 플러그(210)의 상부를 노출시키는 단계; 상기 상부 절연막(300)의 전면에 구리(400)를 증착하여, 상기 구리(400)로 상기 트렌치(310)를 갭필하는 단계; 및 상기 구리(400)를 트렌치(310)의 상부면에 평탄화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 구리 배선을 형성하기 위한 단일 다마신 공정에서 구리 배선 간의 단락을 방지할 수 있다.
반도체, 구리 배선, 단일 다마신 공정

Description

반도체 소자의 구리 배선 형성 방법{method for forming copper line of semiconductor device}
본 발명은 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 구리 배선을 형성하기 위한 단일 다마신(single damascene) 공정에서 구리 배선 간의 단락을 방지할 수 있는 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법에 관한 것이다.
현재 반도체 소자의 축소와 관련하여 금속 배선에서도 단면적의 감소로 인해 전류 밀도가 상승하게 되어 EM(Electromigration)에 의한 금속 배선의 신뢰성의 심각한 문제를 유발한다.
이에 따라, 금속 배선의 물질로 알루미늄 보다 비저항이 낮으면서 동시에 신뢰성이 우수한 구리를 금속 배선의 재료로 사용하고 있다.
하지만, 구리는 휘발성이 강한 화합물의 생성이 어려워 미세 패턴을 형성하기 위한 건식 식각 공정에 어려움이 있기 때문에 주로 다마신 공정으로 구리 배선 을 제조하고 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 종래의 단일 다마신 공정에 대하여 설명한다.
도 1a내지 도 1f는 종래의 단일 다마신 공정의 공정 순서별 단면도이다.
먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판 상부에 증착된 하부 절연막(10)을 선택적으로 식각하여 비아(11, via)를 형성한다.
그 다음, 도 1b에 도시된 바와 같이, 텅스텐(20)을 비아를 포함하는 하부 절연막(10)의 전면에 증착한다.
그 다음, 도 1c에 도시된 바와 같이, 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing, 이하 "CMP") 공정을 진행하여 하부 절연막(10)의 상부에 과도하게 증착된 텅스텐(20)을 제거함으로써 텅스텐 플러그(21)를 형성한다.
그 다음, 도 1d에 도시된 바와 같이, 하부 절연막(10) 상부 전면에 상부 절연막(30)을 증착한다.
그 다음, 도 1e에 도시된 바와 같이, 상부 절연막(30)을 선택적으로 식각하여 트렌치(31)를 형성한다.
그 다음, 도 1f에 도시된 바와 같이, 트렌치를 포함하는 상부 절연막(30)의 전면에 구리(40)를 증착한다.
그 다음, 도 1g에 도시된 바와 같이, CMP 공정을 진행하여 구리(40)를 트렌치(31)의 상부면에 평탄화 함으로써 구리 배선(41)을 형성한다.
여기서, 도 1c에 도시된 바와 같이, 하부 절연막(10)의 상부에 과도하게 증 착된 텅스텐을 완전히 제거하기 위해 오버 연마(over polishing)가 이루어지고, 이는 하부 절연막(10) 까지 식각하게 된다.
이때, 패턴의 밀도가 높은 지역(A)에서는 패턴의 밀도가 낮은 지역에 비해 하부 절연막(10)이 상대적으로 더 많이 식각된다.(패턴 밀도 효과 : pattern density effect)
그 결과, 도 1g에 도시된 바와 같이, 패턴 밀도가 높은 지역에 이웃하는 구리 배선 간에 단락(B)되는 문제점을 야기한다.
그리고, 하부 절연막이 식각되는 과정에서 하부 절연막 보다 상대적으로 연마율이 높은 텅스텐 플러그가 하부 절연막보다 더 높은 비율로 연마되어 구리 배선을 형성하는 과정에서 텅스텐 플러그와 구리 배선 간의 접촉 불량되는 문제점을 야기한다.(디싱 : dishing)
따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 구리 배선을 형성하기 위한 단일 다마신 공정에서 구리 배선 간의 단락을 방지할 수 있는 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법은, 하부 절연막에 비아를 형성하는 단계; 상기 하부 절연막의 전면에 텅스텐을 증착하여, 상기 텅스텐으로 상기 비아를 갭필하는 단계; 텅스텐 - CMP 공정을 진행하여 상기 하부 절연막의 상부에 과도하게 증착된 텅스텐을 제거하여 텅스텐 플러그를 형성 단계; 텅스텐 - 에치백 공정을 진행하여 상기 하부 절연막의 상부에 잔존하는 텅스텐을 제거하는 단계; 상기 하부 절연막의 상부에 상부 절연막을 증착하는 단계; 식각 공정을 진행하여 상기 상부 절연막에 트렌치를 형성함으로써 상기 텅스텐 플러그의 상부를 노출시키는 단계; 상기 상부 절연막의 전면에 구리를 증착하여, 상기 구리로 상기 트렌치를 갭필하는 단계; 및 상기 구리를 트렌치의 상부면에 평탄화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 텅스텐 플러그를 형성하는 단계에서, 상기 텅스텐 - CMP 공정 은 하부 절연막을 연마 정지막으로 하여 연마 정지막이 감지되면 즉시 연마가 종료되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하부 절연막의 상부에 잔존하는 텅스텐을 제거하는 단계에서, 상기 텅스텐 - 에치백 공정은 불소 계열의 가스 분위기에서 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 불소 계열의 가스는 ClF3 또는 NF3인 것을 특징으로 하는 특징으로 한다.
또한, 상기 하부 절연막의 상부에 잔존하는 텅스텐을 제거하는 단계에서, 상기 텅스텐 - 에치백 공정의 진행시 3 ~ 5 %의 오버 식각이 진행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법에 의하면, 구리 배선을 형성하기 위한 단일 다마신 공정에서 구리 배선 간의 단락을 방지할 수 있다.
또한, 텅스텐 플러그를 형성하는 과정에서 텅스텐 플러그 상부의 손실을 최소화 할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 단일 다마신 공정의 공정 순서별 단면도이다.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 하부 절연막(100)에 비아(110)를 형성한다. 하부 절연막(100)은 층간 절연막(inter metal dielectric) 또는 금속 전 절연막(pre metal dielectric)일 수 있으며, USG(Undoped Silicate Glass), FSG(Fluorinated Silicate Glass), PSG(Phospho Silicate Glass) 또는 BPSG(BoroPhospho Silicate Glass)일 수 있다.
여기서, 비아(110)를 포함한 하부 절연막(100)의 전면에는 배리어 메탈(미도시)이 증착될 수 있다. 배리어 메탈은 Ti/TiN의 복층 구조로 형성될 수 있다. 배리어 메탈은 후속 공정에서 비아에 증착되는 텅스텐의 접착을 용이하게 하며, 텅스텐이 하부 절연막(100)으로 확산되는 것을 방지한다.
또한, 하부 절연막(100)이 금속전 절연막(Pre Metal Dielectric)인 경우에는 Ti는 실리콘과 결합을 통해 실리사이드(silicide, TiSi2)를 형성시킴으로서 컨택플러그와 드래인 및 소스 간에 접촉 저항을 감소시킬 수 있다.
그 다음, 도 2b에 도시된 바와 같이, 하부 절연막(100)의 전면에 텅스텐(200)을 증착하여, 텅스텐(200)으로 상기 비아(110, 도 2a에 도시)를 갭필한다. 여기서, 갭필 특성이 우수한 HDPCVD(High Density Plasma Chemical Vapor Deposition)에 의한다.
그 다음, 도 2c에 도시된 바와 같이, 텅스텐 - CMP 공정을 진행하여 하부 절연막(100)의 상부에 과도하게 증착된 텅스텐(200)을 제거한다.
텅스텐 - CMP 공정에서 하부 절연막(100)은 연마 정지막으로 작용한다. 연마는 언더 연마(under polishing) 조건으로 진행된다. 즉, 텅스텐 - CMP 공정 진행 중에 연마 정지막인 하부 절연막(100)이 감지되면 즉시 연마가 종료된다.
연마 정지막은 광학 종료점 검출(Optical Endpoint Detection) 장비를 사용하여 검출한다.
다만, 하부 절연막(100)의 단차로 인해 언더 연마 조건에서 연마를 진행하는 경우, 하부 절연막(100)의 상부에 텅스텐이 잔류할 수 있다.
따라서, 도 2d에 도시된 바와 같이, 텅스텐 - 에치백 공정을 진행하여 하부 절연막(100)의 상부에 잔존하는 텅스텐(200)을 제거함으로써, 텅스텐 플러그(210)를 형성한다.
텅스텐 - 에치백 공정은 ClF3 또는 NF3과 같은 불소 계열의 가스 분위기에서 이루어진다.
여기서, 하부 절연막(100)의 상부에 잔존하는 텅스텐을 완전히 제거하기 위해 텅스텐 - 에치백 공정의 진행시 오버 식각(over etch)을 진행한다.
다만, 오버 식각에 의해 텅스텐 플러그(210) 상부가 손실되는 것을 최소화 하기 위해 3 ~ 5 %의 오버 식각이 진행되는 것이 바람직하다.
그 다음, 도 2e에 도시된 바와 같이, 하부 절연막(100)의 상부에 상부 절연막(300)을 증착한다. 화학 기상 증착 방식으로 증착되며, 하부 절연막(100)과 동일하게 USG, FSG, PSG 또는 BPSG일 수 있다.
그 다음, 도 2f에 도시된 바와 같이, 식각 공정을 진행하여 상부 절연막(300)에 트렌치(310)를 형성함으로써 텅스텐 플러그(210)의 상부를 노출시킨다.
트렌치(310)는 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etch) 방식으로 식각된다.
그 다음, 도 2g에 도시된 바와 같이, 상부 절연막(300)의 전면에 구리(400)를 증착하여, 구리(400)로 트렌치(310, 도 2f에 도시)를 갭필한다.
구리의 증착은 구리 종자층(copper seed layer)을 형성하는 단계 및 구리 채우기 증착하는 단계로 이루어진다.
구리 종자층은 물리 기상 증착 또는 화학 기상 증착 방식으로 이루어지며, 구리 채우기 증착은 화학 기상 증착, 전기 도금법(electroplate) 등으로 이루어질 수 있다.
그 다음, 도 2h에 도시된 바와 같이, 상기 구리(400)를 트렌치(310)의 상부면에 평탄화시킴으로서 구리 배선(410) 형성 공정이 완료된다.
여기서, 평탄화는 화학적 기계적 연마 방식으로 진행된다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정·변경되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
도 1a내지 도 1g는 종래의 단일 다마신 공정의 공정 순서별 단면도,
도 2a내지 도 2h는 본 발명의 단일 다마신 공정의 공정 순서별 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 100 : 하부 절연막
11, 110 : 비아
20, 200 : 텅스텐
21, 210 : 텅스텐 플러그
30, 300 : 상부 절연막
31, 310 : 트렌치
40, 400 : 구리
41, 410 : 구리 배선

Claims (5)

  1. 하부 절연막에 비아를 형성하는 단계;
    상기 하부 절연막의 전면에 텅스텐을 증착하여, 상기 텅스텐으로 상기 비아를 갭필하는 단계;
    텅스텐 - CMP 공정을 진행하여 상기 하부 절연막의 상부에 과도하게 증착된 텅스텐을 제거하여 텅스텐 플러그를 형성하는 단계;
    텅스텐 - 에치백 공정을 진행하여 상기 하부 절연막의 상부에 잔존하는 텅스텐을 제거하는 단계;
    상기 하부 절연막의 상부에 상부 절연막을 증착하는 단계;
    식각 공정을 진행하여 상기 상부 절연막에 트렌치를 형성함으로써 상기 텅스텐 플러그의 상부를 노출시키는 단계;
    상기 상부 절연막의 전면에 구리를 증착하여, 상기 구리로 상기 트렌치를 갭필하는 단계; 및
    상기 구리를 트렌치의 상부면에 평탄화시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 텅스텐 플러그를 형성하는 단계에서, 상기 텅스텐 - CMP 공정은 하부 절연막을 연마 정지막으로 하여 연마 정지막이 감지되면 즉시 연마가 종료되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 하부 절연막의 상부에 잔존하는 텅스텐을 제거하는 단계에서, 상기 텅스텐 - 에치백 공정은 불소 계열의 가스 분위기에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 불소 계열의 가스는 ClF3 또는 NF3인 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 하부 절연막의 상부에 잔존하는 텅스텐을 제거하는 단계에서, 상기 텅스텐 - 에치백 공정의 진행시 3 ~ 5 %의 오버 식각이 진행되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법.
KR1020080137642A 2008-12-31 2008-12-31 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법 KR20100079221A (ko)

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