KR100945995B1 - Method for forming metal wires in a semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 금속배선 형성 방법에 관한 것으로, 소정의 공정을 거친 반도체 기판 상에 제 1 절연막, 식각정지층 및 제 2 절연막을 형성하는 단계와, 상기 반도체 기판의 소정 부분이 노출되도록 상기 제 2 절연막, 식각정지층 및 제 1 절연막을 패터닝하여 콘택홀을 형성하는 단계와, 상기 콘택홀이 매립되도록 상기 제 2 절연막 상에 제 1 금속층을 형성하는 단계와, 상기 제 2 절연막 상의 제 1 금속층을 패터닝한 후 제 1 금속층 패턴을 마스크로 이용한 식각 공정으로 상기 제 2 절연막 및 식각정지층을 패터닝하여 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 트렌치가 매립되도록 전체 상부면에 제 2 금속층을 형성하는 단계와, 상기 제 2 절연막 상부의 제 2 금속층 및 잔류된 제 1 금속층 패턴을 제거하여 상기 트렌치 내에 금속배선이 형성되도록 하는 단계를 포함한다.
금속배선, 다마신, 트렌치, 하드 마스크, 콘택저항
The present invention relates to a method for forming a metal wiring of a semiconductor device, the method comprising the steps of forming a first insulating film, an etch stop layer and a second insulating film on a semiconductor substrate subjected to a predetermined process, and the predetermined portion of the semiconductor substrate is exposed Patterning a second insulating film, an etch stop layer, and a first insulating film to form a contact hole, forming a first metal layer on the second insulating film so that the contact hole is filled, and forming a first hole on the second insulating film Forming a trench by patterning the second insulating layer and the etch stop layer by an etching process using the first metal layer pattern as a mask after patterning the metal layer, and forming a second metal layer on the entire upper surface of the trench to fill the trench And removing the second metal layer and the remaining first metal layer pattern on the second insulating layer so that metal wiring is formed in the trench. It includes.
Metal wiring, damascene, trench, hard mask, contact resistance
Description
도 1a 및 도 1b는 종래 반도체 소자의 금속배선 형성 방법을 설명하기 위한 단면도. 1A and 1B are cross-sectional views for explaining a metal wiring formation method of a conventional semiconductor device.
도 2는 도 1a의 "A" 부분의 TEM 사진.FIG. 2 is a TEM photograph of portion “A” of FIG. 1A. FIG.
도 3a 및 도 3b는 도 1a의 "B" 부분의 확대 단면도. 3A and 3B are enlarged cross-sectional views of portion “B” of FIG. 1A.
도 4는 종래 반도체 소자의 금속배선 형성 방법을 설명하기 위한 TEM 사진.4 is a TEM photograph for explaining a metallization method of a conventional semiconductor device.
도 5a 내지 도 5h는 본 발명에 따른 반도체 소자의 금속배선 형성 방법을 설명하기 위한 단면도.5A to 5H are cross-sectional views illustrating a method for forming metal wirings of a semiconductor device according to the present invention.
도 6은 도 5g의 "C" 부분의 TEM 사진 FIG. 6 is a TEM photograph of portion “C” of FIG. 5G
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1, 51: 반도체 기판 2, 52: 메모리 셀1, 51:
3, 4, 53, 54: 트랜지스터 5, 55: 제 1 절연막3, 4, 53, 54:
6, 56: 제 2 절연막 7, 57: 식각정지층6, 56: second
8, 58: 제 3 절연막 9, 63: 트렌치8, 58: third
10, 60: 접합부 11, 59: 콘택홀
10, 60:
12, 64a: 금속배선 61, 64: 금속층12, 64a:
61a: 금속패턴 62: 감광막61a: metal pattern 62: photosensitive film
65: 층간절연막
65: interlayer insulating film
본 발명은 반도체 소자의 금속배선 형성 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속배선 간의 간격을 충분히 확보하면서 금속배선의 폭을 원하는 대로 유지할 수 있는 반도체 소자의 금속배선 형성 방법에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE
반도체 메모리 소자의 집적도가 증가함에 따라 패턴의 크기 및 패턴 간의 간격이 미세하게 감소된다. 따라서 금속층을 패터닝하여 금속배선을 형성한 후 산화막을 매립하여 절연막을 형성하는 종래의 기술은 더이상 적용이 어려운 실정이다. 그래서 근래에는 다마신(Damascene) 공정을 이용하여 금속배선을 형성하는데, 다마신 공정을 이용하는 종래 반도체 소자의 금속배선 형성 방법을 도 1a 및 도 1b를 통해 설명하면 다음과 같다. As the degree of integration of the semiconductor memory device increases, the size of the pattern and the spacing between the patterns are slightly reduced. Therefore, the conventional technique of patterning the metal layer to form the metal wiring and then embedding the oxide film to form the insulating film is difficult to apply any more. Therefore, in recent years, metal wirings are formed using a damascene process, and a method of forming metal wirings of a conventional semiconductor device using the damascene process will be described with reference to FIGS. 1A and 1B.
도 1a를 참조하면, 소정의 공정을 거쳐 메모리 셀 어레이 지역의 반도체 기판(1) 상에는 다수의 메모리 셀(2) 및 셀렉트 트랜지스터(3)를 형성하고, 주변회로 지역의 반도체 기판(1) 상에는 다수의 고전압 및 저전압용 트랜지스터(4)를 형성한 다. Referring to FIG. 1A, a plurality of
전체 상부면에 제 1 및 제 2 절연막(5 및 6)을 순차적으로 형성한 후 상기 제 2 절연막(6) 상에 식각정지층(7) 및 트렌치 형성을 위한 제 3 절연막(8)을 형성한다. 이 때 상기 식각정지층(7)은 질화막으로 형성하고, 상기 제 3 절연막(8)은 산화막으로 형성한다. After the first and second
상기 제 3 절연막(8) 및 식각정지층(7)을 순차적으로 패터닝하여 금속배선이 형성될 트렌치(9)를 형성한 후 노출된 부분의 상기 제 2 절연막(6) 및 제 1 절연막(5)을 패터닝하여 반도체 기판(1)의 접합부(10)가 노출되도록 콘택홀(11)을 형성한다.The third
상기와 같이 콘택홀(11)을 형성하면 콘택홀(11)을 통해 노출되는 반도체 기판(1)의 표면에는 자연산화막이 성장되고, 콘택홀(11) 내에는 식각 과정에서 생성된 유기 불순물(Organic impurity)이나 폴리머(Polymer) 또는 파티클(Particle) 등이 존재한다. 이러한 불순물은 금속배선과의 콘택저항을 증가시키기 때문에 콘택홀(11)을 형성한 후 세정 공정을 실시하여 이들을 제거한다. As described above, when the
도 1b를 참조하면, 상기 콘택홀(11) 및 트렌치(9)가 매립되도록 전체 상부면에 텅스텐(W)과 같은 금속을 증착한 후 화학적기계적연마(CMP) 공정이나 에치백(Etchback) 공정으로 상기 금속을 연마하여 평탄화시키면 상기 트렌치(9) 및 콘택홀(11) 내에 금속배선(12)이 형성된다.Referring to FIG. 1B, a metal such as tungsten (W) is deposited on the entire upper surface of the
상기와 같은 다마신 공정에서 상기 트렌치(9)는 100㎚ 이하의 크기로 형성된다. 따라서 금속배선 간의 간섭에 의해 발생되는 크로스 토크(Cross talk)를 방지 하기 위해 트렌치(9)를 형성하기 위한 사진 공정시 금속배선(12) 간의 거리 확보가 중요하다. 그러나 금속배선(12) 간의 거리가 확보되면 상대적으로 트렌치(9)의 크기가 감소되기 때문에 식각 방지층 역할을 하는 감광막의 결정에 여려움이 따른다. 즉, 단차가 큰 미세 트렌치(9)를 형성하기 위해서는 단차비가 3:1 내지 5:1인 감광막을 사용해야 하는데, 이 경우 큰 단차로 인해 감광막이 붕괴(Collapse)될 우려가 있고 포커스(DOF) 마진을 확보하기 어려운 등의 문제점이 있다. In the damascene process as described above, the
또한, 상기와 같은 이중(Dual) 다마신 공정에서는 트렌치(9)와 콘택홀(11)을 형성한 후 반도체 기판(1)과의 콘택저항 확보를 위한 세정을 실시하는데, 세정 과정에서 질화막으로 형성된 식각정지층(7)과 산화막으로 형성된 절연막(6 및 8)의 식각 선택비 차이로 인해 도 2와 같이 절연막(8)이 붕괴되거나 트렌치(9) 간의 간격이 좁아져 금속의 매립이 어려워지며 인접하는 금속배선과의 전기적 단락이나 크로스 토크가 유발된다. 도 3a 및 도 3b는 트렌치(9)와 콘택홀(11)을 형성한 상태와 세정 공정을 거친 상태의 단면을 부분적으로 도시한다.In addition, in the dual damascene process as described above, the
단일(Single) 다마신 공정이나 에치백 공정을 이용하는 경우에는 도 4와 같이 미세한 콘택홀 상부에서 금속의 접촉면적이 협소해지기 때문에 전기적 저항이 증가되는 문제가 발생한다.
In the case of using a single damascene process or an etch back process, since the contact area of the metal becomes narrow in the upper portion of the fine contact hole as shown in FIG. 4, an electric resistance increases.
따라서 본 발명은 콘택홀을 매립하기 위한 금속층을 형성한 후 금속층을 패터닝하여 트렌치 형성을 위한 하드 마스크를 형성함으로써 상기한 단점을 해소할 수 있는 반도체 소자의 금속배선 형성 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for forming a metal wiring in a semiconductor device which can solve the above-mentioned disadvantages by forming a hard mask for trench formation by forming a metal layer for filling contact holes and then patterning the metal layer. have.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 소정의 공정을 거친 반도체 기판 상에 제 1 절연막, 식각정지층 및 제 2 절연막을 형성하는 단계와, 상기 반도체 기판의 소정 부분이 노출되도록 상기 제 2 절연막, 식각정지층 및 제 1 절연막을 패터닝하여 콘택홀을 형성하는 단계와, 상기 콘택홀의 내부가 채워지도록 상기 노출된 반도체 기판 및 상기 제 2 절연막 상에 제 1 금속층을 형성하는 단계와, 상기 제 2 절연막 상의 제 1 금속층을 패터닝하여 제 1 금속층 패턴을 형성한 후 제 1 금속층 패턴을 마스크로 이용한 식각 공정으로 상기 제 2 절연막 및 식각정지층을 패터닝하여 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 트렌치가 매립되도록 전체 상부면에 제 2 금속층을 형성하는 단계와, 상기 제 2 절연막 상부의 제 2 금속층 및 잔류된 제 1 금속층 패턴을 제거하여 상기 트렌치 내에 금속배선이 형성되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object is a step of forming a first insulating film, an etch stop layer and a second insulating film on a semiconductor substrate subjected to a predetermined process, the second insulating film, to expose a predetermined portion of the semiconductor substrate, Patterning an etch stop layer and a first insulating layer to form a contact hole, forming a first metal layer on the exposed semiconductor substrate and the second insulating layer to fill the inside of the contact hole, and forming the contact hole; Forming a trench by patterning the second insulating layer and the etch stop layer by an etching process using the first metal layer pattern as a mask after patterning the first metal layer on the first metal layer pattern; Forming a second metal layer on the upper surface, removing the second metal layer and the remaining first metal layer pattern on the second insulating layer; Characterized in that it comprises the step of: so that the metal wiring formed in the wrench.
상기 콘택홀을 형성한 후 식각 과정에서 생성된 유기 불순물, 폴리머 또는 파티클을 제거하기 위해 세정 공정을 실시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The method may further include performing a cleaning process after removing the contact hole to remove organic impurities, polymers, or particles generated during the etching process.
상기 제 2 금속층 및 잔류된 제 1 금속층 패턴은 화학적기계적연마 공정 또는 에치백 공정으로 제거하는 것을 특징으로 한다.
The second metal layer and the remaining first metal layer pattern may be removed by a chemical mechanical polishing process or an etch back process.
반도체 소자가 점점 고집적화되고 미세 패턴화되면서 낸드(NAND) 플래쉬 메 모리 소자 등에서는 금속배선 간의 크로스 토크에 의한 문제가 소자의 불량에 치명적인 원인으로 작용한다. 크로스 토크는 금속배선 간의 간격이 미세한 경우 원하는 금속배선에 신호(전압)를 인가했을 때 금속배선 간의 캐패시턴스(Capacitance)에 의해 인접하는 다른 금속배선이 양향을 받아 전압이 흔들림으로써 오동작이 발생하는 현상으로, 소자의 동작속도를 저하시키거나 오동작을 유발한다.As semiconductor devices are increasingly integrated and finely patterned, problems caused by crosstalk between metal wirings are critical to device defects in NAND flash memory devices. Crosstalk is a phenomenon in which a malfunction occurs due to the shaking of the voltage when the adjacent metal wiring is reversed by the capacitance between the metal wirings when a signal (voltage) is applied to the desired metal wiring when the spacing between the metal wirings is minute. As a result, the operation speed of the device may be reduced or a malfunction may be caused.
크로스 토크를 방지하기 위해서는 금속배선 간의 캐패시턴스를 감소시켜야 하는데, 이를 위해서는 첫째, 금속배선 간의 절연막의 폭을 증가시키거나, 둘째, 금속배선의 높이를 감소시키거나, 셋째, 저유전막을 사용하거나, 넷째, 식각정지층으로 이용되는 질화막의 두께를 감소시키거나 사용하지 않아야 한다. To prevent cross talk, the capacitance between metal wirings should be reduced. To do this, first, increase the width of the insulating film between the metal wirings, second, reduce the height of the metal wirings, third, use a low dielectric film, or fourth. However, the thickness of the nitride film used as the etch stop layer should not be reduced or used.
따라서 본 발명은 금속배선 간의 절연막의 폭을 충분히 확보하면서 금속배선의 폭을 원하는 대로 유지할 수 있는 반도체 소자의 금속배선 형성 방법을 제공한다.Accordingly, the present invention provides a method for forming metal wirings in a semiconductor device capable of maintaining the width of the metal wirings as desired while ensuring sufficient width of the insulating film between the metal wirings.
그러면 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 5a 내지 도 5h는 본 발명에 따른 반도체 소자의 금속배선 형성 방법을 설명하기 위한 단면도이다.5A to 5H are cross-sectional views illustrating a method for forming metal wirings of a semiconductor device according to the present invention.
도 5a를 참조하면, 소정의 공정을 거쳐 메모리 셀 어레이 지역의 반도체 기판(51) 상에는 다수의 메모리 셀(52) 및 셀렉트 트랜지스터(53)를 형성하고, 주변회로 지역의 반도체 기판(51) 상에는 다수의 고전압 및 저전압용 트랜지스터(54)를 형성한다.
Referring to FIG. 5A, a plurality of
전체 상부면에 제 1 및 제 2 절연막(55 및 56)을 순차적으로 형성한 후 상기 제 2 절연막(56) 상에 식각정지층(57) 및 트렌치 형성을 위한 제 3 절연막(58)을 형성한다. 이 때 상기 식각정지층(57)은 일반적인 층간절연막에 대해 식각 선택비를 갖는 질화막 계열의 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막(SiN, SiON 등)을 저온의 반응로에서 또는 플라즈마 화학기상증착(CVD) 방법으로 300 내지 1000Å의 두께로 증착하여 형성하고, 상기 제 3 절연막(58)은 BPSG, PSG, FSG, PE-TEOS, PE-SiH4, HDP, USG, HDP, PSG, APL 등의 산화막을 2000 내지 4000Å의 두께로 증착하여 형성한다. After the first and second insulating
반도체 기판(51)의 접합부(60)가 노출되도록 상기 제 3 절연막(58), 식각정지층(57), 제 2 절연막(56) 및 제 1 절연막(55)을 순차적으로 식각하여 콘택홀(59)을 형성한다.The third insulating
도 5b를 참조하면, 상기 콘택홀(59)을 통해 노출되는 반도체 기판(51)의 표면에 성장된 자연산화막과 식각 과정에서 생성된 유기 불순물이나 폴리머 또는 파티클 등을 제거하기 위해 세정 공정을 실시한다. 상기 콘택홀(59)을 포함하는 전체 상부면에 확산방지막(도시않됨)을 소정 두께 형성한 후 상기 콘택홀(59)이 매립되도록 상기 확산방지막 상에 텅스텐(W) 등을 증착하여 금속층(61)을 형성한다. 상기 확산방지막은 물리기상증착(PVD) 또는 화학기상증착(CVD) 방법으로 Ti/TiN 또는 WN를 증착하여 형성하며, 상기 금속층(61)은 화학기상증착(CVD) 방법으로 W, TiSix, TiN, Cu, Al 등을 증착하여 형성한다. 상기 세정 공정과 확산방지막 및 금속층 형 성 공정은 시간 지연이 발생되지 않도록 연속적으로 진행한다.Referring to FIG. 5B, a cleaning process is performed to remove a natural oxide film grown on the surface of the
도 5c를 참조하면, 상기 금속층(61) 상에 반사방지막(도시않됨)과 감광막(62)을 형성한 후 금속배선의 형성을 위한 트렌치 형성용 마스크를 이용하여 상기 감광막(62)을 패터닝한다.Referring to FIG. 5C, after forming an anti-reflection film (not shown) and a
도 5d를 참조하면, 상기 패터닝된 감광막(62)을 마스크로 이용한 식각 공정으로 상기 제 3 절연막(58) 상에 형성된 상기 금속층(61) 및 확산방지막을 순차적으로 패터닝하여 하드마스크(Hard mask)로 사용될 금속패턴(61a)을 형성한 후 감광막(62)을 제거한다.Referring to FIG. 5D, the
도 5e를 참조하면, 상기 금속패턴(61a)을 하드마스크로 사용한 식각 공정으로 상기 식각정지층(57)이 노출될 때까지 노출된 부분의 제 3 절연막(58)을 식각하여 트렌치(63)를 형성한다. 이후 노출된 부분의 식각정지층(57)을 식각하는데, 이 때 하부의 제 2 절연막(56)이 일부 식각되도록 할 수 있다. 상기 하드마스크로 사용된 금속패턴(61a)은 식각에 의해 두께가 감소되어 전체적인 단차가 감소하며, 트렌치(63)의 내부에는 상기 콘택홀(59)에 매립되었던 금속층(61)이 원기둥 형태로 노출된다.Referring to FIG. 5E, in the etching process using the
상기 도 5d 및 도 5e의 공정은 하나의 챔버(Chamber)에서 인-시투(In-situ) 방식으로 진행하거나 또는 여러 챔버를 구비한 하나의 장비에서 시간적으로 끊김없이 연속적으로 진행할 수 있다.The process of FIGS. 5D and 5E may be performed in-situ in one chamber or continuously in a single apparatus having several chambers.
도 5f를 참조하면, 상기 트렌치(63)를 포함하는 전체 상부면에 확산방지막(도시않됨)을 형성한 후 상기 트렌치(63)가 매립되도록 상기 확산방지막 상에 텅스텐(W) 등을 증착하여 금속층(64)을 형성한다.Referring to FIG. 5F, after forming a diffusion barrier (not shown) on the entire upper surface including the trench 63, a metal layer is deposited by depositing tungsten (W) or the like on the diffusion barrier to fill the trench 63. Form 64.
상기 확산방지막은 화학기상증착(CVD) 방법으로 Ti, TiN, WN 등을 증착하여 형성하며, 상기 금속층(64)은 화학기상증착(CVD) 방법으로 W, Cu, Al 등을 증착하여 형성한다.The diffusion barrier layer is formed by depositing Ti, TiN, WN, etc. by chemical vapor deposition (CVD), and the metal layer 64 is formed by depositing W, Cu, Al, etc. by chemical vapor deposition (CVD).
도 5g를 참조하면, 상기 제 3 절연막(58)이 노출되는 시점까지 상기 금속층(64) 및 잔류된 금속패턴(61a)을 화학적기계적연마(CMP) 공정이나 에치백 공정으로 평탄화시키면 상기 트렌치(63) 내에 금속배선(64a)이 형성된다. 이 때 금속배선(64a)은 도 6에 도시된 바와 같이 트렌치(63) 내부에 원기둥 형태로 돌출된 금속층(61)과 연결되는데, 접촉면적이 넓은 워기둥 형태로 인해 접촉저항이 감소된다. 화학적기계적연마(CMP) 공정시 pH 2-8, 파티클의 크기가 50 내지 150㎚인 가스(Fumed) 상태의 SiO2나 구형(Spherical)의 Al2O3를 이용하여 금속층(64)을 연마한다. Referring to FIG. 5G, when the metal layer 64 and the remaining
도 5h를 참조하면, 상기 금속배선(64a)과 상부 도전층과의 전기적 절연을 위해 전체 상부면에 층간절연막(65)을 형성한다.
Referring to FIG. 5H, an interlayer insulating film 65 is formed on the entire upper surface of the
상술한 바와 같이 본 발명은 감광막을 마스크로 이용하여 콘택홀을 형성한 후 세정 공정을 진행하고 콘택홀에 금속을 매립한다. 그리고 콘택홀 매립을 위한 금속층을 패터닝하여 트렌치 형성을 위한 하드 마스크를 형성한다. 따라서 세정 공정시 절연막의 손실이 발생되어도 트렌치의 크기에 영향을 미치지 않게 되며, 이에 따라 금속배선 간의 간격을 충분히 확보하면서 금속배선의 폭을 원하는 대로 유지할 수 있어 크로스 토크가 방지되고 소자의 신뢰성이 향상되며 수율 증대를 이룰 수 있다. 또한, 트렌치를 형성하는 과정에서 원기둥 형태의 금속층이 내부에 돌출되기 때문에 표면적의 증가에 의해 금속배선과의 접촉저항이 감소되어 소자의 동작속도가 향상된다.
As described above, the present invention uses the photoresist as a mask to form a contact hole, and then proceeds with a cleaning process and embeds metal into the contact hole. The metal layer for filling the contact holes is patterned to form a hard mask for trench formation. Therefore, the loss of the insulating film during the cleaning process does not affect the size of the trench. Accordingly, the width of the metal wiring can be maintained as desired while sufficiently securing the gap between the metal wirings, thereby preventing crosstalk and improving device reliability. And yield can be increased. In addition, since the cylindrical metal layer protrudes in the process of forming the trench, the contact resistance with the metal wiring is reduced by increasing the surface area, thereby improving the operation speed of the device.
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