KR910010223B1 - Multi-layer wiring method of semiconductor elements - Google Patents
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Abstract
Description
제1도는 실리콘 기판에서 다층금속배선 공정전의 셀구성을 위한 기본공정 후 하층금속배선을 구성하는 금속막을 형성한 단면도.1 is a cross-sectional view of a metal film constituting a lower layer metal wiring after the basic process for the cell configuration before the multi-layer metal wiring process in the silicon substrate.
제2도는 금속막위에 실리콘 박막을 형성한 단면도.2 is a cross-sectional view of a silicon thin film formed on a metal film.
제3도는 금속배선을 위한 포토레지스트 패턴형성으로 실리콘 박막과 금속막을 건식식각에 의한 금속배선패턴을 형성한 후 포토레지스트를 제거한 상태의 단면도.3 is a cross-sectional view of a state in which a photoresist is removed after forming a metal wiring pattern by dry etching a silicon thin film and a metal film by forming a photoresist pattern for metal wiring.
제4도는 금속배선층간의 절연을 위한 실리콘 산화막의 증착 후 평탄화 공정에 의해 실리콘 산화막이 평탄화된 형태를 나타낸 단면도.4 is a cross-sectional view of a silicon oxide film planarized by a planarization process after deposition of a silicon oxide film for insulation between metal wiring layers.
제5도는 포토레지스트를 형성하고 비아콘택홀을 형성한 상태의 단면도.5 is a cross-sectional view of a state in which a photoresist is formed and a via contact hole is formed.
제6도는 포토레지스트를 제거한 후 개구부의 금속배선 표면에 있는 실리콘 박막을 건식식각에 의한 제거공정을 거친 후의 단면도.FIG. 6 is a cross-sectional view after removing a photoresist and removing the silicon thin film on the surface of the metallization of the opening by dry etching.
제7도는 상층금속막의 형성과 포토레지스트 패턴에 의한 상층금속 배선식각과 포토레지스트 제거후의 상층금속배선이 형성된 단면도.FIG. 7 is a cross-sectional view of the formation of the upper metal film, the upper metal wiring etching by the photoresist pattern, and the upper metal wiring after removing the photoresist.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
1 : 실리콘 기판 2 : 확산층1
3 : 필드산화막 4 : 게이트 산화막3: field oxide film 4: gate oxide film
5 : 폴리실리콘 게이트전극 또는 폴리사이드 게이트전극5: polysilicon gate electrode or polyside gate electrode
6 : 실리콘 산화막 7 : 폴리실리콘 또는 폴리사이드 도선6: silicon oxide film 7: polysilicon or polyside lead
8 : 실리콘 산화막8: silicon oxide film
9 : B 또는 P로 도프된 실리콘 산화막(BPSG 또는 PSG)9: silicon oxide film doped with B or P (BPSG or PSG)
10 및 10′ : 하층금속막 및 하층금속배선 11 : 실리콘 박막10 and 10 ': lower layer metal film and lower layer metal wiring 11: silicon thin film
12 : 평탄화된 실리콘 산화막 13 : 상층금속배선12: planarized silicon oxide film 13: upper metal wiring
14 : 포토레지스트14 photoresist
본 발명은 고집적 반도체소자의 다층금속배선 공정방법에 관한 것으로, 특히 하층금속배선과 상층금속배선간의 절연막의 평탄화 공정을 거친 후 평탄화된 절연막에 콘택홀을 형성할 때 건식식각에 의한 절연막의 식각끝점(Etching End Point)의 과도식각(Over Etch)에 기인한 하층금속배선의 손상을 방지하며 또한 하층금속막이 알류미늄일 경우 표면에서의 알류미늄 산화막(Al2O3) 생성을 억제하도록 하층금속배선층 표면에 실리콘 박막을 형성하여 금속배선간의 콘택저항을 안정화시키는 다층금속배선 공정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-layer metallization process method of a highly integrated semiconductor device, in particular, the etching end point of the insulating layer by dry etching when forming a contact hole in the planarized insulating layer after the planarization process of the insulating film between the lower metal layer and the upper layer metal wiring On the surface of the lower layer metal layer to prevent damage to the lower layer metal line due to the over etching of the etching end point and to suppress the formation of the aluminum oxide layer (Al 2 O 3 ) on the surface when the lower layer layer is aluminum. The present invention relates to a multilayer metallization process method for forming a silicon thin film to stabilize contact resistance between metallization lines.
반도체 집적회로의 개발에 있어 동작속도의 증가, 전력소비의 극소화, 고도의 기능성 및 단위셀 면적의 축소에 따른 집적도 증가 등이 주된 개발관점이 되어져 왔다. 다층금속배선 공정채택으로 반도체소자의 동작속도의 증가 및 집적도증가를 이룰 수 있게 되어 다층금속배선 공정은 DRAM, SRAM등 범용 반도체기억소자 제조에 응용될 뿐 아니라, 주문형 반도체소자 및 로직게이트 어레이 등의 소자제조에도 작용되는 등 반도체소자 제조분야에서 광범위하게 사용된다.In the development of semiconductor integrated circuits, the main development point of view has been to increase the operation speed, minimize the power consumption, increase the degree of integration due to the high functionality and unit cell area. The adoption of multilayer metallization process enables to increase the operation speed of semiconductor devices and increase the degree of integration. Therefore, the multilayer metallization process is not only applied to the manufacture of general-purpose semiconductor memory devices such as DRAM and SRAM, but also for custom semiconductor devices and logic gate arrays. It is widely used in the field of semiconductor device manufacturing, such as acting on device manufacturing.
특히, 다층금속배선 공정 중 하층금속배선과 상층금속배선의 접촉을 위한 비아콘택 공정은 다층금속배선공정을 적용하는 반도체소자의 수율과 신뢰성에 밀접한 관계를 가지며, 금속배선간의 콘택저항의 증가는 반도체소자의 불량율을 증가시키며, 소자의 특성을 약화시킬 뿐 아니라 소자의 신뢰성을 떨어뜨리게 된다. 이는, 다층금속배선 공정을 사용하는 반도체소잔 제조에서 비아콘택홀 개구부의 금속배선막 표면으로부터 금속산화막의 불완전한 제거와 비아콘택홀의 건식식각시 금속배선 표면의 노출에 따른 플라즈마 손상으로 금속내부의 결정구조 변화 또는 금속내부로의 불순물 주입이 주된 원인이 된다.In particular, the via contact process for the contact between the lower metal wiring and the upper metal wiring in the multilayer metal wiring process has a close relationship with the yield and reliability of the semiconductor device to which the multilayer metal wiring process is applied. Increasing the defective rate of the device, not only weakening the characteristics of the device but also reduce the reliability of the device. This is due to incomplete removal of the metal oxide film from the surface of the metal contact film in the via contact hole opening and plasma damage due to the exposure of the surface of the metal wire during dry etching of the via contact hole in the semiconductor small glass manufacturing process using the multilayer metal wiring process. The main cause is change or injection of impurities into the metal.
종래의 다층금속배선 공정에서, 예를 들어 2층금속배선 공정에서는 1차 금속막 형성 및 패턴식각 후 금속배선층간의 절연을 위한 실리콘 산화막을 증착하고 실리콘 산화막의 평탄화 공정을 진행한다. 이후, 1차 금속배선과 2차 금속배선의 콘택을 위하여 포토레지스트에 의한 비아콘택 패턴을 형성한 후, 상기 실리콘 산화막에 건식식각 또는 습식과 건식의 복합식각에 의한 비아콘택홀을 형성시켜 1차 금속배선과 2차 금속배선을 접촉시킨다.In a conventional multilayer metallization process, for example, in a two-layer metallization process, a silicon oxide film is deposited for insulation between the metallization layers after the formation of the first metal film and the pattern etching, and the silicon oxide film is planarized. Subsequently, a via contact pattern is formed by a photoresist for contact between the primary metal wire and the secondary metal wire, and then a via contact hole is formed in the silicon oxide layer by dry etching or a combination of wet and dry etching. Contact the metal wiring and the secondary metal wiring.
그러나 1차 금속배선이 예를 들어 알루미늄배선의 경우, 패턴공정으로 금속식각 후 식각패턴을 형성한 포토레지스트 제거공정에서 산소플라즈마에 의한 포토레지스트의 제거 또는 습식에 의한 포토레지스트제거 또는 위의 두 방법을 순서적으로 진행하는 복합적인 포토레지스트제거 방법에 의하여 알루미늄의 노출에 따른 표면 산화반응으로 생성된 알루미늄 산화막은 분자간의 높은 결합에너지와 이에 따른 제거의 어려움으로 알루미늄배선층 상부에 존재하는 알루미늄 산화막의 제거가 불완전할 경우, 1차 알루미늄배선과 2차 알루미늄배선층 사이에 절연막으로 존재하여 알루미늄배선층간의 콘택저항을 증가시키거나 또는 부분적으로 불안정한 저항을 가져온다.However, if the primary metal wiring is, for example, aluminum wiring, in the photoresist removal process in which an etching pattern is formed after metal etching by a pattern process, photoresist removal by oxygen plasma or wet photoresist removal or the above two methods are performed. The aluminum oxide film produced by the surface oxidation reaction according to the exposure of aluminum by the complex photoresist removal method sequentially proceeds to remove the aluminum oxide film on the aluminum wiring layer due to the high binding energy between molecules and the difficulty of removal. If is incomplete, it exists as an insulating film between the primary aluminum wiring and the secondary aluminum wiring layer, resulting in an increase in contact resistance between the aluminum wiring layers or a partially unstable resistance.
또한, 구조상 비아콘택홀 형성부의 실리콘 산화막의 두께차이에 의한 건식식각 시간의 차이로 얇은 실리콘 산화막 부분의 비아콘택홀에서의 금속배선 표면의 플라즈마 손상이 두꺼운 실리콘 산화막 부분에서의 비아콘택홀 형성에 따른 금속배선 표면의 플라즈마 손상보다 상대적으로 심화됨으로서, 반도체소자 셀 내의 각 부분에서 금속배선층간의 콘택저항이 불균일한 상태를 나타내게 되어, 반도제소자의 신뢰성에 나쁜 영향을 가져온다.In addition, due to the difference in dry etching time due to the difference in thickness of the silicon oxide film of the via contact hole forming part, plasma damage of the surface of the metal wiring in the via contact hole of the thin silicon oxide film part is caused by the formation of the via contact hole in the thick silicon oxide film part. As it becomes relatively deeper than plasma damage on the surface of the metal wiring, the contact resistance between the metal wiring layers in each part of the semiconductor device cell is uneven, resulting in a bad effect on the reliability of the semiconductor device.
따라서, 본 발명은 다층금속배선 공정중 금속배선 표면에서의 금속산화막의 성장을 억제함과 동시에 건식식각에 의한 금속막의 손상을 방지하여 안정한 금속배선간의 콘택저항을 얻는 다층금속배선 공정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention provides a multi-layered metallization process method that obtains stable contact resistance between metallizations by inhibiting the growth of the metal oxide film on the surface of the metallized lines during the multilayered metallization process and preventing damage to the metallized film by dry etching. The purpose is.
즉, 하층금속층의 형성과 동시에 쉽게 실리콘 산화막과의 식각비를 낮게 가져갈 수 있는 박막, 예를 들어 얇은 실리콘막을 하층금속배선 상부에 형성하는 다층금속배선 공정방법이다.That is, a multi-layer metal wiring process method of forming a thin film, for example, a thin silicon film, which can easily bring a low etch ratio with the silicon oxide film at the same time as the lower metal layer is formed.
본 발명에 의하면, 우선 진공반응기로부터 형성된 하층금속막의 대기 노출에 따른 금속산화막의 성장을 억제시키고 하층금속막과 동시에 형성된 박막을 금속배선간의 접촉을 위한 비아콘택홀 식각시, 식각선택비 조절에 의하여 비아콘택홀 개구부의 금속배선 표면에 남겨둠으로 건식식각에 따른 플라즈마 손상이 금속배선에 직접적인 영향을 주지 않게 되며, 또한 상층금속 배선층 형성 전까지 하층금속배선 표면에 박막을 유지시킴으로 포토레지스트의 제거공정에서 산소플라즈마 또는 습식식각 방법사용에 따른 금속막의 직접적인 노출을 방지하여 금속배선막의 특성이 변하게 될 가능성을 배제할 수 있는 특징이 있다.According to the present invention, first, by inhibiting the growth of the metal oxide film due to the exposure of the atmosphere of the lower metal film formed from the vacuum reactor, and by etching the via contact hole for the contact between the metal wiring and the thin film formed simultaneously with the lower metal film, by controlling the etching selectivity Plasma damage due to dry etching does not directly affect the metal wiring by leaving it on the metal wiring surface of the via contact hole opening. Also, in the photoresist removal process, the thin film is maintained on the lower metal wiring surface until the upper metal wiring layer is formed. By preventing the direct exposure of the metal film by the use of oxygen plasma or wet etching method, it is possible to exclude the possibility of changing the characteristics of the metal wiring film.
이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참고하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the present invention will be described in detail.
제1도는 실리콘 기판(1)위에 소자간의 분리를 위한 필드산화막(3)을 형성한 후, 산화에 의한 게이트 산화막(4)을 성장시키고 폴리실리콘 게이트전극(5)을 형성한 뒤 이온주입법에 의한 확산층(2)을 형성한다. 폴리실리콘 게이트전극(4)을 보호하고 후에 형성될 상부의 폴리실리콘 또는 폴리사이드 도선과의 절연을 위한 실리콘 산화막(6)을 증착한 후 콘택홀을 형성하고, 여기에 폴리실리콘 또는 폴리사이드(7)를 증착하고 건식식각으로 도선을 형성한 다음 실리콘 산화막(8)을 폴리실리콘 또는 폴리사이드 도선(7)위에 증착하고 B 또는 P가 포함된 실리콘 산화막(9)을 또한 증착한 후 플로우(Plow)시켜 표면의 굴곡을 완화시킨다. 이후 금속층과 폴리실리콘 게이트전극(5), 폴리실리콘 또는 폴리사이드 도선(7) 및 확산층(2)과의 접속을 위한 콘택홀 식각 후 금속막(10)을 증착한 상태의 단면도이다.FIG. 1 shows the formation of the
제2도는 제1도에서의 금속막 형성 반응기내에서 금속막(10)을 형성한 후 동시에 같은 반응기내에서 실리콘 박막(11)을 형성한 상태의 단면도로써, 제1도의 금속막(10)과 제2도의 실리콘 박막(11)은 같은 반응기에서 순서적으로 형성된 상태를 도시하고 있다. 금속배선용인 알루미늄(Al)막의 형성방법으로는 금속배선층인 알루미늄(Al)막의 형성방법이고, 그 외에 알루미늄 금속원자의 증발(Evaporation), 화학증착법(CVD)및 아르곤 이온(Ar+)을 가속시켜 알루미늄 타켓트(Al target)를 스퍼터링(Sputtering)하여 형성하는 방법 등이 사용되고 있는데, 일반적인 방법은 후자의 스퍼터링방법을 들 수 있다. 알루미늄막 형성을 위한 스퍼터챔버(Chamber)는 상당한 진공도(5×10-7torr)를 가지며 챔버 내에는 알루미늄 타켓트와 실리콘(Si) 타켓트 등 여러 개의 타켓트를 동시에 장착할 수 있는데, 본 발명의 실리콘 박막의 형성은 먼저 스퍼터 챔버 내에서 알루미늄을 스퍼터링으로 먼저 형성한 후, 이어 아르곤에 의한 실리콘 타켓트 스퍼터링으로 실리콘 박막을 형성시킨다.FIG. 2 is a cross-sectional view of the
제3도는 제2도 상태에서 하층금속배선(10′)을 위한 포토레지스트 패턴형성 후 건식식각에 의한 하층금속배선(10′)의 패턴을 형성하고 건식 또는 습식에 의한 포토레지스트를 제거한 상태의 단면도이다.3 is a cross-sectional view of a state in which a pattern of a lower layer metal line 10 'is formed by dry etching and a photoresist is removed by dry or wet after forming a photoresist pattern for the lower layer metal line 10' in FIG. to be.
제4도는 금속배선층간의 절연을 위해 실리콘 산화막(12)의 증착하여 평탄화 공정이 진행된 실리콘 산화막(12)을 형성한 상태의 단면도이다.4 is a cross-sectional view of a
제5도는 하층금속배선(10′)과 상층금속배선의 접속을 위한 비아콘택홀 형성공정으로, 포토레지스트(14)를 형성한 후 비아콘택 패턴에 의해 비아콘택홀을 형성한 상태의 단면도로서, 실리콘 산화막(12)의 식각속도조절에 의하여 비아콘택홀 개구부에서의 금속배선(10′) 표면에 제2도에서 형성된 실리콘 박막(11)은 그대로 보존한 상태를 도시하고 있다.FIG. 5 is a cross-sectional view of a via contact hole forming process for connecting the lower metal wiring 10 'and the upper metal wiring, in which a via contact hole is formed by a via contact pattern after the
제6도는 제5도에서의 포토레지스트(14)를 산소플라즈마 또는 습식에 의한 제거공정을 거친 후 비아콘택홀 개구부의 금속배선(10′) 표면에 남아 있는 실리콘 박막(11)을 제거하는 공정으로, NF3또는 SF6등의 식각가스에 의한 건식식각으로 식각시 금속표면에 식각부산물에 의한 손상 및 오염이 없이 금속배선(10′)표면 위의 실리콘 박막(11)을 완전히 제거한 상태의 단면도이다.FIG. 6 is a process of removing the silicon thin film 11 remaining on the surface of the metal wiring 10 'of the via contact hole opening after the
제7도는 제6도의 공정직후 상층금속막을 형성하고 식각공정에 의한 상층금속배선(13)을 형성한 상태의 단면도이다.FIG. 7 is a cross-sectional view of the upper metal film 13 formed immediately after the process of FIG. 6 and the upper metal wiring 13 formed by the etching process.
본 발명은 하층금속막의 형성과 하층금속막 표면에 실리콘 박막을 순서적으로 형성시켜 하층금속막의 노출에 따른 금속산화막의 형성을 억제하여 비아콘택 식각시 실리콘 박막의 식각저지 기능으로 비아콘택홀 개구부에서 하층금속배선 표면의 플라즈마 손상을 배제하여 안정적인 금속배선층간의 콘택저항을 얻을 수 있으므로 다층금속배선 공정을 채택하는 반도체소자의 신뢰성을 높일 수 있는 큰 효과가 있다.According to the present invention, the formation of the lower layer metal layer and the formation of the silicon thin film on the surface of the lower layer metal layer are sequentially inhibited to form the metal oxide layer due to the exposure of the lower layer metal layer. Since the contact resistance between the metallization layers can be obtained by eliminating the plasma damage on the lower metallization surface, there is a great effect of increasing the reliability of the semiconductor device adopting the multilayer metallization process.
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