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JP5382988B2 - Method for forming a metal wiring structure - Google Patents

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JP5382988B2
JP5382988B2 JP2006265462A JP2006265462A JP5382988B2 JP 5382988 B2 JP5382988 B2 JP 5382988B2 JP 2006265462 A JP2006265462 A JP 2006265462A JP 2006265462 A JP2006265462 A JP 2006265462A JP 5382988 B2 JP5382988 B2 JP 5382988B2
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敬雨 李
滋欽 具
玩哉 朴
徳虎 洪
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  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)

Description

本発明は集積回路(IC)製造方法に係り、特に、その内に金属配線層を有する集積回路の製造方法に関する。   The present invention relates to an integrated circuit (IC) manufacturing method, and more particularly, to an integrated circuit manufacturing method having a metal wiring layer therein.

従来の集積回路製造方法は、半導体基板上に多層の金属配線層を作るため金属ダマシン工程を用いる。図1A〜図1Cに示すように、従来方法はその内にトレンチ絶縁領域12を有する半導体基板10上に第1の絶縁層14を形成する段階を含むことができる。前記第1の絶縁層14は、下部デバイス構造(例えば、ゲート電極13)に対するある程度のパッシベーションを提供するために基板10の表面上に直接形成できる。前記第1の絶縁層14は、写真エッチング工程を用いてパターンを形成してその内に複数のコンタクトホール15を限定できる。示すように、コンタクトホール15の密度は基板10上の位置によって変わりうる。コンタクトホール15を形成した後、第1の伝導性物質(例えば、タングステン(W))のブランケット層16は第1の絶縁層14上にコンフォーマルに形成できる。   A conventional integrated circuit manufacturing method uses a metal damascene process to form a multilayer metal wiring layer on a semiconductor substrate. As shown in FIGS. 1A-1C, the conventional method may include forming a first insulating layer 14 on a semiconductor substrate 10 having a trench insulating region 12 therein. The first insulating layer 14 can be formed directly on the surface of the substrate 10 to provide a degree of passivation to the lower device structure (eg, the gate electrode 13). The first insulating layer 14 may be patterned using a photo etching process to define a plurality of contact holes 15 therein. As shown, the density of the contact holes 15 can vary depending on the position on the substrate 10. After forming the contact hole 15, a blanket layer 16 of a first conductive material (eg, tungsten (W)) can be conformally formed on the first insulating layer.

図1Bに示すように、前記ブランケット層16は十分な時間の間平坦化されて第1の絶縁層14を露出させ、図面符号16a、16b、16cのような複数の第1の伝導性ビアを限定できる。このような平坦化段階は、研磨する間ブランケット層16の上部表面に適用されるスラリー溶液と一緒に研磨装置を用いる従来の化学的機械的研磨(Chemical Mechanical Polishing;以下、‘CMP’という。)段階によって遂行できる。このような研磨過程で、ディッシング現象によって図面符号16cのように相対的に高い密度の伝導性ビアを有する基板10部分と対向する第1の絶縁層14の過度な陥没が招来されうる。その後、図1Cに示すように第2の絶縁層18が図1Bの構造上に形成された後パターニングされて、図面符号16a、16b、16cのような伝導性ビアと整列される開口部を限定できる。そして、第2の伝導性物質(例えば、銅(Cu)やタングステン(W))のブランケット層が第2の絶縁層18上にコンフォーマルに形成できる。このようなブランケット層はCMPを用いて平坦化されて図面符号20a、20b、20c、20dのような複数の第2の金属層を限定できる。しかしながら、従来技術によれば、第1の絶縁層14の過度な陥没によって、第2の金属伝導性物質の平坦化は隣接した伝導性ビア16cが電気的に短絡される相対的に広い金属線20dの形成を招来されうる。このような相対的に広い金属線20dはバックエンドプロセス工程が完了された後の装置の収率を深刻に減らす恐れがある金属欠陥(例えば、金属線短絡)を呈するようになる。
韓国特許公開第2005-0002426号明細書
As shown in FIG. 1B, the blanket layer 16 is planarized for a sufficient time to expose the first insulating layer 14, and a plurality of first conductive vias such as reference numerals 16a, 16b, and 16c are formed. Can be limited. Such a planarization step is a conventional chemical mechanical polishing (hereinafter referred to as 'CMP') using a polishing apparatus with a slurry solution applied to the upper surface of the blanket layer 16 during polishing. Can be carried out by stage. In such a polishing process, excessive dishing of the first insulating layer 14 facing the portion of the substrate 10 having conductive vias having a relatively high density as shown by a reference numeral 16c may be caused by a dishing phenomenon. Thereafter, as shown in FIG. 1C, a second insulating layer 18 is formed on the structure of FIG. 1B and then patterned to define openings aligned with conductive vias such as 16a, 16b, 16c. it can. A blanket layer of a second conductive material (for example, copper (Cu) or tungsten (W)) can be conformally formed on the second insulating layer 18. Such a blanket layer can be planarized using CMP to define a plurality of second metal layers such as reference numerals 20a, 20b, 20c, and 20d. However, according to the prior art, due to excessive depression of the first insulating layer 14, the planarization of the second metal conductive material is a relatively wide metal line in which the adjacent conductive via 16c is electrically shorted. 20d formation may be invited. Such a relatively wide metal line 20d may exhibit metal defects (eg, metal line short circuit) that can seriously reduce the yield of the device after the back-end process steps are completed.
Korean Patent Publication No. 2005-0002426 Specification

本発明が解決しようとする技術的課題は、絶縁層の過度な陥没によって、金属伝導性物質の平坦化による隣接した伝導性ビアが電気的に短絡される現象を防止でき、バックエンドプロセス工程が完了された後の装置の収率を減らす恐れのある金属欠陥を減少させることができる金属配線構造を形成する方法を提供することにある。   The technical problem to be solved by the present invention is to prevent a phenomenon in which adjacent conductive vias are electrically short-circuited due to planarization of a metal conductive material due to excessive depression of an insulating layer, and a back-end process step is performed. It is an object of the present invention to provide a method of forming a metal wiring structure that can reduce metal defects that can reduce the yield of the device after it has been completed.

本発明の技術的課題は以上で言及した技術的課題で制限されないし、言及されなかったさらなる他の技術的課題は以下の記載から当業者に明確に理解することができる。   The technical problems of the present invention are not limited by the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

前記技術的課題を解決するための本発明の一実施形態は、金属ダマシン工程の段階を用いて集積回路装置を形成する方法を含んでいる。このような実施形態によれば、この方法は半導体基板上にその内にコンタクトホールを有する絶縁層を形成し、そのコンタクトホールに隣接した位置にある絶縁層内にリセス部を形成することによってなる。次に、コンタクトホールとリセス部は第1の伝導性物質(例えば、タングステン(W))で充填されるようになる。その次に、コンタクトホール内にある第1の伝導性物質の最小限一つの部分は露出する。このような露出は、コンタクトホールとリセス部内にある第1の伝導性物質をエッチングマスクとして用いて絶縁層の一部をエッチバックすることによって行われる。前記リセス部内にある第1の伝導性物質は除去されて絶縁層の他の部分を露出させる。以降、前記第1の伝導性物質の露出した部分は第2の伝導性物質(例えば、銅(Cu))で覆われ、これは第1の伝導性物質の露出した部分と直接的に接する。このようなカバーリング段階によって第1の伝導性物質と第2の伝導性物質とを含む配線パターンが限定される。特に、このカバーリング段階は、第1の伝導性物質の露出した部分上に直接金属層を形成し、十分な時間の間形成された金属層を平坦化して絶縁膜を露出させる段階を含むことができる。   One embodiment of the present invention for solving the technical problem includes a method of forming an integrated circuit device using stages of a metal damascene process. According to such an embodiment, the method comprises forming an insulating layer having a contact hole therein on a semiconductor substrate and forming a recess in the insulating layer located adjacent to the contact hole. . Next, the contact hole and the recess are filled with a first conductive material (for example, tungsten (W)). Then, at least one portion of the first conductive material in the contact hole is exposed. Such exposure is performed by etching back a portion of the insulating layer using the first conductive material in the contact hole and the recess as an etching mask. The first conductive material in the recess is removed to expose other portions of the insulating layer. Thereafter, the exposed portion of the first conductive material is covered with a second conductive material (eg, copper (Cu)), which is in direct contact with the exposed portion of the first conductive material. The wiring pattern including the first conductive material and the second conductive material is limited by the covering step. In particular, the covering step includes forming a metal layer directly on the exposed portion of the first conductive material, and planarizing the formed metal layer for a sufficient time to expose the insulating film. Can do.

前記技術的課題を解決するための本発明の他の実施形態によれば、絶縁層内にあるリセス部を形成する段階は、写真エッチング工程でパターンが形成された層をエッチングマスクとして用いて絶縁層内にリセス部をエッチングすることを含むことができる。この場合、リセス部をエッチングする段階の前にコンタクトホールの内側と絶縁層の上側にスピンオンガラス(Spin On Glass;以下、‘SOG’という。)層を形成する段階を行うことができる。このようなSOG層を形成する段階に次いで、前記SOG層上に反射防止膜を形成する段階と前記反射防止膜上にフォトレジスト(以下、‘PR’という。)を形成する段階を行う。また、前記PR形成段階に次いでPR層をパターニングする段階と、パターンが形成されたPR層をエッチングマスクとして用いてSOG層をエッチングする段階を行うことができる。   According to another embodiment of the present invention for solving the technical problem, the step of forming the recess in the insulating layer is performed using the layer formed with a pattern in the photolithography process as an etching mask. Etching a recess in the layer can be included. In this case, a step of forming a spin-on-glass (hereinafter referred to as “SOG”) layer inside the contact hole and above the insulating layer can be performed before the step of etching the recess portion. Following the step of forming the SOG layer, a step of forming an antireflection film on the SOG layer and a step of forming a photoresist (hereinafter referred to as 'PR') on the antireflection film are performed. Further, following the PR formation step, a step of patterning the PR layer and a step of etching the SOG layer using the PR layer on which the pattern is formed as an etching mask can be performed.

前記技術的課題を解決するための本発明のさらに他の実施形態によれば、金属ダマシン工程段階を用いて集積回路装置を形成する方法は、半導体基板上にその内にコンタクトホールを有する絶縁層を形成する段階とコンタクトホールに隣接した位置にある絶縁層内にリセス部を形成する段階を含む。コンタクトホールとリセス部は、第1の伝導性物質(例えば、タングステン(W))で充填されるようになる。コンタクトホール内の第1の伝導性物質の少なくとも一つの部分は露出するようになる。このような露出は、コンタクトホールとリセス部内にある第1の伝導性物質をエッチングマスクとして用いて絶縁層の一つの部分をエッチバックすることによって行われる。その次に、リセス部内にある第1の伝導性物質は除去されて絶縁層のさらに他の部分を露出させる。以降、第1の伝導性物質の露出した部分とリセス部内にある第1の伝導性物質は、第2の伝導性物質(例えば、銅(Cu))で覆われるが、これは第1の伝導性物質の露出した部分と直接接する。前記第2の伝導性物質は、十分な時間の間平坦化されてリセス部内にある第1の伝導性物質を除去し、第1の伝導性物質と第2の伝導性物質とを含む配線パターンを限定する。本実施形態のさらに他の面によれば、第1の伝導性物質を用いてコンタクトホールとリセス部とを充填する段階は、絶縁層上に第1のコンタクトホールの内側と第1のリセス部の内側に延長した第1の伝導性物質を形成する段階と、十分な時間の間第1の伝導性物質を平坦化して絶縁層を露出させ、コンタクトホール内の伝導性プラグとリセス部内のダミー金属パターンを限定する段階を含む。   According to yet another embodiment of the present invention for solving the technical problem, a method of forming an integrated circuit device using a metal damascene process step includes: an insulating layer having a contact hole in a semiconductor substrate; And forming a recess in the insulating layer located adjacent to the contact hole. The contact hole and the recess are filled with a first conductive material (for example, tungsten (W)). At least one portion of the first conductive material in the contact hole is exposed. Such exposure is performed by etching back one portion of the insulating layer using the first conductive material in the contact hole and the recess as an etching mask. Then, the first conductive material in the recess is removed to expose a further portion of the insulating layer. Thereafter, the exposed portion of the first conductive material and the first conductive material in the recess are covered with a second conductive material (for example, copper (Cu)), which is the first conductive material. Direct contact with exposed parts of the sex substance. The second conductive material is planarized for a sufficient time to remove the first conductive material in the recess, and the wiring pattern includes the first conductive material and the second conductive material. Limit. According to still another aspect of the present embodiment, the step of filling the contact hole and the recess portion using the first conductive material includes the step of filling the inside of the first contact hole and the first recess portion on the insulating layer. Forming a first conductive material extending inside the substrate, and planarizing the first conductive material for a sufficient period of time to expose the insulating layer, so that the conductive plug in the contact hole and the dummy in the recess are formed. Including defining a metal pattern.

前記技術的課題を解決するための本発明のさらに他の実施形態によれば、集積回路装置を形成する方法は、半導体基板上に第1の絶縁層を形成する段階と前記第1の絶縁層上に第2の絶縁層を形成する段階を含む。次に、第1のコンタクトホールが形成される。このような第1のコンタクトホールは、第1の絶縁層と第2の絶縁層を通じて延長する。その次に、第1のコンタクトホールに隣接した位置の第2の絶縁層内に第1のリセス部が形成される。その後、第1のコンタクトホールと第1のリセス部は、第1の伝導性物質(例えば、タングステン(W))によって充填されるようになる。第1のコンタクトホール内の第1の伝導性物質の少なくとも一つの部分は第1のコンタクトホールと第1のリセス部内の第1の伝導性物質をエッチングマスクとして用いて第2の絶縁層の一部分をエッチバックすることによって露出するようになる。第1の伝導性物質の露出した部分は、第2の伝導性物質(例えば、銅(Cu))で覆われ、これにより配線パターンが限定される。このような配線パターンは、第1の伝導性物質と第2の伝導性物質を含む。   According to still another embodiment of the present invention for solving the technical problem, a method of forming an integrated circuit device includes a step of forming a first insulating layer on a semiconductor substrate and the first insulating layer. Forming a second insulating layer thereon. Next, a first contact hole is formed. Such a first contact hole extends through the first insulating layer and the second insulating layer. Next, a first recess is formed in the second insulating layer at a position adjacent to the first contact hole. Thereafter, the first contact hole and the first recess are filled with a first conductive material (for example, tungsten (W)). At least one portion of the first conductive material in the first contact hole is a portion of the second insulating layer using the first conductive material in the first contact hole and the first recess as an etching mask. It becomes exposed by etching back. The exposed portion of the first conductive material is covered with a second conductive material (for example, copper (Cu)), thereby limiting the wiring pattern. Such a wiring pattern includes a first conductive material and a second conductive material.

前記技術的課題を解決するための本発明のさらに他の実施形態によれば、第1の伝導性物質を用いて第1のコンタクトホールと第1のリセス部を充填する段階は、第2の絶縁層上に第1のコンタクトホールの内側と第1のリセス部内側に延長した第1の伝導層を形成する段階を含む。その後、第1の伝導層は十分な時間の間平坦化されて第2の絶縁層を露出させる。このような平坦化段階は、十分な時間の間第1の伝導層を平坦化して第1のコンタクトホール内にある伝導性プラグと第1のリセス部内にあるダミー金属パターンを限定する段階を含む。   According to still another embodiment of the present invention for solving the technical problem, the step of filling the first contact hole and the first recess portion with the first conductive material includes the second step. Forming a first conductive layer on the insulating layer extending to the inside of the first contact hole and the inside of the first recess. The first conductive layer is then planarized for a sufficient time to expose the second insulating layer. Such planarization includes planarizing the first conductive layer for a sufficient amount of time to limit the conductive plug in the first contact hole and the dummy metal pattern in the first recess. .

また、このようなカバーリング段階の前にダミー金属パターンを除去して第2の絶縁層のさらに他の部分を露出させる段階を行うことができる。特に、前記除去する段階は、第1のリセス部内にあるダミー金属パターンをエッチバックする段階と同時に第1のコンタクトホール内にある伝導性プラグの一部分をエッチバックする段階を含む。対案的に、前記カバーリング段階は伝導性プラグとダミー金属パターン上に金属層(例えば、銅金属層)を形成する段階と十分な時間の間金属層を平坦化してダミー金属パターンを除去し、第2の絶縁層のさらに他の部分を露出させる段階を含むことができる。   In addition, before the covering step, the dummy metal pattern may be removed to expose another portion of the second insulating layer. In particular, the removing includes etching back a portion of the conductive plug in the first contact hole simultaneously with etching back the dummy metal pattern in the first recess. Alternatively, the covering step removes the dummy metal pattern by planarizing the metal layer for a sufficient time with the step of forming a metal layer (eg, copper metal layer) on the conductive plug and the dummy metal pattern, Exposing a further portion of the second insulating layer may be included.

前記技術的課題を解決するための本発明のさらに他の実施形態によれば、集積回路装置を形成する方法は、半導体基板上に第1の絶縁層を形成する段階と第1の絶縁層上に絶縁性乾式エッチストッパー層を形成する段階を含むことができる。このような絶縁性乾式エッチストッパー層は、第1の絶縁層に比べて相対的に高い誘電定数を有することができる。また、第2の絶縁層は前記乾式エッチストッパー層上に形成され、コンタクトホールは第2の絶縁層を通じて第1の絶縁層の内側に延長するように形成される。第2の絶縁層は、乾式エッチストッパー層に比べて相対的に低い誘電定数を有することができる。続いて、金属層(例えば、タングステン金属)はコンタクトホールの内側と第2の絶縁層の上側に形成される。このような金属層は十分な時間の間平坦化されて第2の絶縁層の表面を露出し、コンタクトホール内に金属プラグを限定する。次に、第2の絶縁層の露出した表面は十分な時間の間乾式エッチされて乾式エッチストッパー層の表面と乾式エッチストッパー層から延長した金属プラグの側壁を露出させる。その次に、金属プラグは乾式エッチストッパー層を平坦化ストッパー層として用いて平坦化される。以降、第3の絶縁層が平坦化された金属プラグと乾式エッチストッパー層の上に形成できる。追加的に第2のコンタクトホールが、第3の絶縁層を通じて延長し、平坦化された金属プラグを露出するように形成できる。   According to still another embodiment of the present invention for solving the technical problem, a method of forming an integrated circuit device includes forming a first insulating layer on a semiconductor substrate and on the first insulating layer. Forming an insulating dry etch stopper layer. Such an insulating dry etch stopper layer can have a relatively high dielectric constant compared to the first insulating layer. The second insulating layer is formed on the dry etch stopper layer, and the contact hole is formed to extend to the inside of the first insulating layer through the second insulating layer. The second insulating layer can have a relatively low dielectric constant compared to the dry etch stopper layer. Subsequently, a metal layer (for example, tungsten metal) is formed on the inner side of the contact hole and on the upper side of the second insulating layer. Such a metal layer is planarized for a sufficient time to expose the surface of the second insulating layer and to limit the metal plug within the contact hole. Next, the exposed surface of the second insulating layer is dry etched for a sufficient time to expose the surface of the dry etch stopper layer and the sidewalls of the metal plug extending from the dry etch stopper layer. The metal plug is then planarized using the dry etch stopper layer as a planarization stopper layer. Thereafter, the third insulating layer can be formed on the flattened metal plug and the dry etch stopper layer. Additionally, a second contact hole can be formed extending through the third insulating layer to expose the planarized metal plug.

本実施形態において、金属層の平坦化段階は、第1の研磨パッド圧力で金属層をCMPする段階を含むことができる。だが、乾式エッチストッパー層内の‘ディッシング現象’の可能性を減らすために、金属プラグを平坦化する段階は、第1の研磨パッド圧力より低い第2の研磨パッド圧力で金属プラグをCMPする段階を含むことができる。また、このような平坦化工程は乾式エッチストッパー層と第3の絶縁層の全体の誘電定数を減少させ、金属プラグと電気的に結合されうる重なった金属領域に関わる寄生電気容量をできるだけ減少させることができるように、乾式エッチストッパー層を十分に薄く作るようになる。   In this embodiment, the step of planarizing the metal layer may include CMP of the metal layer with a first polishing pad pressure. However, in order to reduce the possibility of 'dishing phenomenon' in the dry etch stopper layer, the step of planarizing the metal plug is a step of CMPing the metal plug with a second polishing pad pressure lower than the first polishing pad pressure. Can be included. Also, such a planarization process reduces the overall dielectric constant of the dry etch stopper layer and the third insulating layer, and reduces as much as possible the parasitic capacitance associated with the overlapping metal regions that can be electrically coupled to the metal plug. So that the dry etch stopper layer is made thin enough.

前記技術的課題を解決するための本発明のさらに他の実施形態によれば、第1の絶縁層上に絶縁性乾式エッチストッパー層を形成する段階は、第1の絶縁層上に約200Å〜300Åの厚さを有する絶縁性乾式エッチストッパー層を形成する段階を含む。このような場合、金属プラグを平坦化する段階は、約100Å〜200Åの最終厚さになるように乾式エッチストッパー層を平坦化する段階を含むこともできる。この乾式エッチストッパー層は、シリコンナイトライド、アモルファスシリコンカーバイド又はSiCN、又はこれらの組み合せで形成できる。   According to still another embodiment of the present invention for solving the technical problem, the step of forming an insulating dry etch stopper layer on the first insulating layer includes about 200 to about 200 μm on the first insulating layer. Forming an insulating dry etch stopper layer having a thickness of 300 mm. In such a case, planarizing the metal plug can also include planarizing the dry etch stopper layer to a final thickness of about 100 to 200 inches. This dry etch stopper layer can be formed of silicon nitride, amorphous silicon carbide or SiCN, or a combination thereof.

前記技術的課題を解決するための本発明のさらに他の実施形態によれば、半導体基板上に第1の絶縁層を形成する段階と第1の絶縁層上に第2の絶縁層を形成する段階によって金属配線構造を形成する方法を含む。第2の絶縁層と第1の絶縁層は順次に選択的にエッチングされてその内にコンタクトホールを限定される。そして、第1の金属層(例えば、タングステン(W))が形成される。第1の金属層は、第2の絶縁層の上とコンタクトホールの内側に延長する。次に、第1の金属層はパターニングされて第2の絶縁層を露出させる。第2の絶縁層は、十分な時間の間選択的にエッチングされて第1の絶縁層を露出させ、コンタクトホール内の金属プラグを露出させる。このような選択的エッチング段階は、パターンが形成された第1の金属層をエッチングマスクとして用いて行われる。その次に、露出した金属プラグ内にあるシームが伝導性充填物質で充填されるようになる。第2の金属層が、伝導性充填物質を含む露出した金属プラグ上に形成される。   According to still another embodiment of the present invention for solving the technical problem, a step of forming a first insulating layer on a semiconductor substrate and forming a second insulating layer on the first insulating layer. Including a method of forming a metal wiring structure by steps. The second insulating layer and the first insulating layer are selectively etched sequentially to define a contact hole therein. Then, a first metal layer (for example, tungsten (W)) is formed. The first metal layer extends over the second insulating layer and inside the contact hole. Next, the first metal layer is patterned to expose the second insulating layer. The second insulating layer is selectively etched for a sufficient time to expose the first insulating layer and expose the metal plug in the contact hole. Such a selective etching step is performed using the patterned first metal layer as an etching mask. The seam in the exposed metal plug is then filled with a conductive filler material. A second metal layer is formed on the exposed metal plug containing a conductive filler material.

前記技術的課題を解決するための本発明のさらに他の実施形態によれば、このような充填段階はCoWP(Cobalt tungsten phosphor)を用いて露出した金属プラグ内のシームを充填する段階を含む。パターン形成段階は、第1の金属層上に反射防止膜を形成する段階と前記反射防止膜上にPR層を形成する段階を含むこともできる。その次に、PR層はパターニングされる。反射防止膜と第1の金属層は、パターニングされたPR層をエッチングマスクとして用いて順次にエッチングされる。   According to still another embodiment of the present invention for solving the technical problem, the filling step includes filling a seam in the exposed metal plug using CoWP (Cobalt tungsten phosphor). The pattern forming step may include a step of forming an antireflection film on the first metal layer and a step of forming a PR layer on the antireflection film. The PR layer is then patterned. The antireflection film and the first metal layer are sequentially etched using the patterned PR layer as an etching mask.

金属配線構造を形成するさらに他の方法は、基板上に絶縁層を形成する段階と絶縁層を選択的にエッチングしてその内にコンタクトホールを限定する段階を含むことができる。第1の金属層は、コンタクトホール内側に形成されてその内に金属プラグを限定する。その次に、絶縁層はエッチバックされて金属プラグを露出させる。露出した金属プラグ内のシームは伝導性充填物質で充填されるようになり、第2の金属層(例えば、銅層)が露出した金属プラグ上に形成される。このような第2の金属層は、平坦化されて金属プラグを含む金属配線を限定できる。第2の金属層を形成する段階の前に、露出した金属プラグ上にバリヤ金属層を形成する段階が遂行できる。このようなバリヤ金属層は、タンタル(Ta)及び/又はタンタルナイトライド(TaN)からなることができる。   Yet another method of forming the metal wiring structure may include forming an insulating layer on the substrate and selectively etching the insulating layer to define contact holes therein. The first metal layer is formed inside the contact hole and defines a metal plug therein. The insulating layer is then etched back to expose the metal plug. The seam in the exposed metal plug is filled with a conductive filler material, and a second metal layer (eg, a copper layer) is formed on the exposed metal plug. Such a second metal layer can be flattened to limit the metal wiring including the metal plug. A step of forming a barrier metal layer on the exposed metal plug can be performed prior to the step of forming the second metal layer. Such a barrier metal layer can be made of tantalum (Ta) and / or tantalum nitride (TaN).

上述したように、本発明は、絶縁層の過度な陥没によって、金属伝導性物質の平坦化による隣接した伝導性ビアが電気的に短絡される現象を防止でき、バックエンドプロセス工程が完了された後の装置の収率を減らす恐れのある金属欠陥(例えば、金属線短絡)を減少させることができる。   As described above, the present invention can prevent a phenomenon in which adjacent conductive vias are electrically short-circuited due to planarization of a metal conductive material due to excessive depression of an insulating layer, and a back-end process step is completed. Metal defects (e.g., metal wire shorts) that can reduce the yield of subsequent devices can be reduced.

以下、本発明の好適な実施形態を示す図面を参照して本発明をさらに詳細に説明する。しかしながら、本発明は、以下で開示される実施形態に限定されるものではなく、相異なる多様な形態で具現されるものであり、本実施形態は、本発明の開示が完全となり、当業者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は、特許請求の範囲の記載に基づいて決められなければならない。図面において、各層の厚さと領域は明確にするため誇張されている。ある層が他の層や基板上にあることになっている場合はそれが他の層や基板上に直接あってもよく、その間に中間層が存在してもよい。なお、明細書全体にかけて同一参照符号は同一構成要素を示すものとする。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings showing preferred embodiments of the present invention. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be embodied in various different forms. The present embodiment is intended to complete the disclosure of the present invention, and to those skilled in the art. The present invention is provided to fully inform the scope of the invention, and the present invention should be determined based on the description of the claims. In the drawings, the thickness and area of each layer are exaggerated for clarity. If a layer is to be on another layer or substrate, it may be directly on the other layer or substrate, with an intermediate layer in between. Note that the same reference numerals denote the same components throughout the specification.

図2Aを参照すれば、本発明の一実施形態による金属配線層を形成する方法は、半導体基板110上に第1の絶縁層114を形成する段階を含む。示すように、半導体基板110は、その内に複数のトレンチ絶縁領域112とその上に複数のデバイス構造113(例えば、ゲート電極)を有する集積回路基板でありうる。このような第1の絶縁層114は約2,000Å〜4,000Åの厚さを有するシリコンジオキシド(二酸化ケイ素)からなることができるが、この絶縁層114は2,000Å以下又は4,000Å以上の厚さを有することも可能である。次に、第1の絶縁層114は第2の絶縁層118に覆われるようになる。このような第2の絶縁層118は相対的に低い誘電定数を有する電気絶縁物質、例えば約2.65の誘電定数を有する芳香族炭化水素重合体であるSiCOH又はSiLK(登録商標)のような物質を蒸着することによって形成できる。第2の絶縁層118は、約1,500Å〜2,000Åの厚さを有することができるが、他の厚さを有することもやはり可能である。その次に、第1の絶縁層114と第2の絶縁層118はそれぞれパターニングされてその内に複数のコンタクトホール117を限定する。写真エッチング工程用に作られたマスク(図示せず)を用いてエッチングされたこのようなコンタクトホール117は、第1の絶縁層114を通じて完全に延長し、半導体基板110の上部表面及び/又は、一つ又はそれ以上のデバイス構造113を露出させることができる。   Referring to FIG. 2A, the method for forming a metal wiring layer according to an embodiment of the present invention includes forming a first insulating layer 114 on a semiconductor substrate 110. As shown, the semiconductor substrate 110 can be an integrated circuit substrate having a plurality of trench isolation regions 112 therein and a plurality of device structures 113 (eg, gate electrodes) thereon. The first insulating layer 114 may be made of silicon dioxide having a thickness of about 2,000 to 4,000 mm, but the insulating layer 114 may be less than 2,000 mm or 4,000 mm. It is also possible to have the above thickness. Next, the first insulating layer 114 is covered with the second insulating layer 118. Such a second insulating layer 118 may be an electrically insulating material having a relatively low dielectric constant, such as SiCOH or SiLK® which is an aromatic hydrocarbon polymer having a dielectric constant of about 2.65. It can be formed by depositing a material. The second insulating layer 118 can have a thickness of about 1,500 to 2,000 mm, but can also have other thicknesses. Next, the first insulating layer 114 and the second insulating layer 118 are each patterned to define a plurality of contact holes 117 therein. Such a contact hole 117 etched using a mask (not shown) made for a photoetching process extends completely through the first insulating layer 114, and / or the upper surface of the semiconductor substrate 110 and / or One or more device structures 113 can be exposed.

図2Bを参照すれば、SOG層120がコンフォーマルに塗布されて複数のコンタクトホール117を充填し、第2の絶縁層118の上部表面を均一にコーティングする。当業者が理解できるように、SOG層120は高精密写真エッチング工程段階が順次に遂行できるようにするため高い表面平坦度を得るのに使用できる。このような高精密写真エッチング工程段階は、低温オキシド(Low Temperature Oxide;以下、‘LTO’という。)層122と反射防止コーティング124を順次に形成する段階を含むことができる。その次に、PR(フォトレジスト)層を形成し、パターニングして反対形状のPRマスク126を限定できる。このようなマスク126は第2の絶縁層118の上部表面の一部に対向するように延長する開口部を有するように形成できるが、これらはコンタクトホール117に接近するように隣接する。   Referring to FIG. 2B, a SOG layer 120 is conformally applied to fill the plurality of contact holes 117 and uniformly coat the upper surface of the second insulating layer 118. As can be appreciated by those skilled in the art, the SOG layer 120 can be used to obtain high surface flatness so that high-precision photoetching process steps can be performed sequentially. Such high-precision photolithography process steps may include sequentially forming a low temperature oxide (hereinafter referred to as 'LTO') layer 122 and an anti-reflective coating 124. Next, a PR (photoresist) layer can be formed and patterned to define a PR mask 126 of the opposite shape. Such a mask 126 can be formed to have an opening extending so as to face a part of the upper surface of the second insulating layer 118, but these are adjacent to each other so as to approach the contact hole 117.

図2Cに示すように、エッチング段階(例えば、活性イオンエッチング(Reactive Ion Etching;以下、‘RIE’という。))を遂行して、反射防止膜124、LTO層122、SOG層120と第2の絶縁層118の上部表面を通じて順次に選択的にエッチングし、第2の絶縁層118の上部表面内に複数のリセス部128を限定できる。このようなリセス部128は、約500Å〜1,000Åの深さを有することができる。図2D〜図2Eを参照すれば、コンタクトホール117とリセス部128は第1の伝導性物質で充填されるようになる。特に、金属ブランケット層130(例えば、タングステン(W))は第2の絶縁層118の上側とコンタクトホール117の内側にコンフォーマルに形成できる。このような金属ブランケット層130は、約1,000Å〜5,000Åの厚さを有することができる。その次に、十分な時間の間金属ブランケット層130をCMPすることによって金属ブランケット層130は平坦化されて、第2の絶縁層118の上部表面を露出させ、従ってコンタクトホール117内に複数の伝導性プラグ132aを、また複数のリセス部128内に複数のダミー金属パターン132bを、それぞれ限定できる。   As shown in FIG. 2C, an anti-reflection film 124, an LTO layer 122, an SOG layer 120, and a second layer are formed by performing an etching step (for example, active ion etching (hereinafter referred to as 'RIE')). A plurality of recesses 128 can be defined in the upper surface of the second insulating layer 118 by selectively etching sequentially through the upper surface of the insulating layer 118. Such a recess 128 may have a depth of about 500 to 1,000 inches. 2D to 2E, the contact hole 117 and the recess 128 are filled with the first conductive material. In particular, the metal blanket layer 130 (eg, tungsten (W)) can be conformally formed on the upper side of the second insulating layer 118 and on the inner side of the contact hole 117. Such a metal blanket layer 130 may have a thickness of about 1,000 to 5,000 inches. The metal blanket layer 130 is then planarized by CMP of the metal blanket layer 130 for a sufficient amount of time to expose the top surface of the second insulating layer 118, and thus a plurality of conductive layers in the contact hole 117. The plurality of dummy metal patterns 132b and the plurality of dummy metal patterns 132b can be defined in the plurality of recesses 128, respectively.

図2Fを参照すれば、活性イオンエッチング(RIE)段階を遂行して伝導性プラグ132aとダミー金属パターン132bをエッチングマスクとして用いて第2の絶縁層118の露出した部分を方向性があるようにエッチバックする。示すように、このようなRIE段階は、十分な時間の間遂行されて第1の絶縁層114の上部表面を露出(そして可能であればエッチバック)させることができる。その後、図2Gに示すように、第2の金属ブランケット層(例えば、銅(Cu))が図2Fに示す構造上に形成され、続いて十分な時間の間平坦化(例えば、CMPを用いて)されてダミー金属パターン132bを除去し、その下にある第2の絶縁層118の部分を露出させる。第2の金属ブランケット層は約4,000Å〜9,000Åの厚さを有することができる。隣接した金属プラグ132aの間に延長した第2の絶縁層118の部分は互いに隣接した金属配線パターンを電気的に絶縁する役割を果たす。このようなそれぞれの配線パターンは、第2の金属層から作られたカバーリング金属パターン134(例えば、銅キャップ)を有するそれぞれの伝導性プラグ132aを包含する。以降、工程とパッケージング段階(図示せず)を遂行して本明細書で説明した工程段階から形成された一つ又はそれ以上の金属化層を有する集積回路装置を完成できる。   Referring to FIG. 2F, an active ion etching (RIE) step is performed to make the exposed portion of the second insulating layer 118 directional using the conductive plug 132a and the dummy metal pattern 132b as an etching mask. Etch back. As shown, such an RIE step can be performed for a sufficient amount of time to expose (and possibly etch back) the top surface of the first insulating layer 114. Thereafter, as shown in FIG. 2G, a second metal blanket layer (eg, copper (Cu)) is formed on the structure shown in FIG. 2F, followed by planarization (eg, using CMP) for a sufficient amount of time. The dummy metal pattern 132b is removed, and the portion of the second insulating layer 118 thereunder is exposed. The second metal blanket layer can have a thickness of about 4,000 to 9,000 inches. The portion of the second insulating layer 118 extending between the adjacent metal plugs 132a serves to electrically insulate adjacent metal wiring patterns. Each such wiring pattern includes a respective conductive plug 132a having a covering metal pattern 134 (eg, a copper cap) made from a second metal layer. Thereafter, a process and packaging step (not shown) may be performed to complete an integrated circuit device having one or more metallization layers formed from the process steps described herein.

本発明のさらに他の実施形態によれば、図2F〜図2Gに関して示し、説明した段階は図3A〜図3Bで代替できる。特に、図3Aには伝導性プラグ132aとダミー金属パターン132bをエッチングマスクとして用いて第2の絶縁層118の露出した部分を方向性があるようにエッチバックするRIE段階を遂行することを示している。その後、追加的なエッチング段階(乾式又は湿式エッチング)が遂行されて伝導性プラグ132aをエッチバック(すなわち、短く)し、ダミー金属パターン132bを除去する。図3Bに示すように第2の金属ブランケット層(例えば、銅(Cu))が図3Aに示す構造上に形成された後、十分な時間の間平坦化(例えば、CMPを用いて)されて、その下にある第2の絶縁層118の部分を露出させる。隣接した伝導性プラグ132aの間に延長した第2の絶縁層118の部分はそれぞれの隣接した金属配線パターンを電気的に絶縁する役割を果たす。このようなそれぞれの配線パターンは、第2の金属層に起因するカバーリング金属パターン134(例えば、銅キャップ)を有するそれぞれの伝導性プラグ132aを含む。   According to yet another embodiment of the invention, the steps shown and described with respect to FIGS. 2F-2G can be replaced with FIGS. 3A-3B. In particular, FIG. 3A illustrates performing an RIE step in which the exposed portion of the second insulating layer 118 is etched back in a directional manner using the conductive plug 132a and the dummy metal pattern 132b as an etching mask. Yes. Thereafter, an additional etching step (dry or wet etching) is performed to etch back (ie, shorten) the conductive plug 132a and remove the dummy metal pattern 132b. As shown in FIG. 3B, a second metal blanket layer (eg, copper (Cu)) is formed on the structure shown in FIG. 3A and then planarized (eg, using CMP) for a sufficient amount of time. Then, the portion of the second insulating layer 118 underneath is exposed. The portion of the second insulating layer 118 extending between the adjacent conductive plugs 132a serves to electrically insulate each adjacent metal wiring pattern. Each such wiring pattern includes a respective conductive plug 132a having a covering metal pattern 134 (eg, a copper cap) resulting from the second metal layer.

本発明のさらに他の実施形態は、半導体基板上に金属配線構造を形成する方法を含む。このような金属配線構造は図4A〜図4Eによって示す金属プラグを含む。特に、図4Aには第1の絶縁層214を形成した後、第1の絶縁層上に絶縁性乾式エッチストッパー層216を形成する段階が示されている。また、第2の絶縁層218は前記乾式エッチストッパー層216上に形成される。同一な物質又は他の物質を含むことができる第1の絶縁層214と第2の絶縁層218は、例えば、USG(Undoped Silicate Glass)又はBPSG(borophosphosilicate glass)層で形成できる。このような絶縁層はHDP(High Density Plasma)、PECVD(Plasma Enhanced CVD)、又はSACVD(Semi−Atmospheric CVD)などの技術を用いて形成できる。さらに第1の絶縁層214は、図2A〜図2Gに示す基板110のような半導体基板上に形成できる。そして、複数のコンタクトホール217が形成される。このようなコンタクトホール217は、示すように、第2の絶縁層218を通じて第1の絶縁層214の内側に延長する。その後、金属化ブランケット層220(例えば、タングステン金属)が、第2の絶縁層218の上側とコンタクトホール217の内側にコンフォーマルに形成される。   Yet another embodiment of the present invention includes a method of forming a metal wiring structure on a semiconductor substrate. Such a metal wiring structure includes a metal plug shown by FIGS. 4A to 4E. In particular, FIG. 4A shows a step of forming an insulating dry etch stopper layer 216 on the first insulating layer after the first insulating layer 214 is formed. The second insulating layer 218 is formed on the dry etch stopper layer 216. The first insulating layer 214 and the second insulating layer 218, which may include the same material or other materials, may be formed of, for example, a USG (Undoped Silicate Glass) or BPSG (borophosphosilicate glass) layer. Such an insulating layer can be formed using a technique such as HDP (High Density Plasma), PECVD (Plasma Enhanced CVD), or SACVD (Semi-Atmospheric CVD). Further, the first insulating layer 214 can be formed on a semiconductor substrate such as the substrate 110 shown in FIGS. 2A to 2G. Then, a plurality of contact holes 217 are formed. Such a contact hole 217 extends to the inside of the first insulating layer 214 through the second insulating layer 218 as shown. Thereafter, a metallized blanket layer 220 (eg, tungsten metal) is conformally formed above the second insulating layer 218 and inside the contact hole 217.

図4Bを参照すれば、このような金属層220は十分な時間の間平坦化されて第2の絶縁層218の上部表面を露出させ、コンタクトホール217の内側に複数の金属プラグ220a、220bを限定する。示すように、もし金属プラグの密度が十分に高ければ、金属層220の平坦化は第2の絶縁層218内にディッシング(D)を起こしうる。その後、図4Cに示すように、第2の絶縁層218の露出した表面が十分な時間の間乾式エッチングされて乾式エッチストッパー層216の表面と乾式エッチストッパー層216から延長した金属プラグ220a、220bの側壁を露出させる。   Referring to FIG. 4B, the metal layer 220 is planarized for a sufficient time to expose the upper surface of the second insulating layer 218, and a plurality of metal plugs 220a and 220b are formed inside the contact hole 217. limit. As shown, the planarization of the metal layer 220 can cause dishing (D) in the second insulating layer 218 if the density of the metal plugs is sufficiently high. Thereafter, as shown in FIG. 4C, the exposed surface of the second insulating layer 218 is dry etched for a sufficient time to extend the surface of the dry etch stopper layer 216 and the metal plugs 220a, 220b extending from the dry etch stopper layer 216. Expose the side wall.

その次に、図4Dに示すように、金属プラグ220a、220bは平坦化され、乾式エッチストッパー層216は平坦化ストッパー層として使用される。その後、図4Eに示すように、第3の絶縁層230が、平坦化された金属プラグ220a、220bと乾式エッチストッパー層216上に形成される。このような第3の絶縁層230は写真エッチング工程を用いてパターニングされ、対応する下部金属プラグ220a、220bを露出させる複数のコンタクトホール232を限定する。   Next, as shown in FIG. 4D, the metal plugs 220a and 220b are planarized, and the dry etch stopper layer 216 is used as a planarization stopper layer. Thereafter, as shown in FIG. 4E, a third insulating layer 230 is formed on the planarized metal plugs 220a and 220b and the dry etch stopper layer 216. The third insulating layer 230 is patterned using a photolithography process to define a plurality of contact holes 232 exposing the corresponding lower metal plugs 220a and 220b.

図4A〜図4Eに示す実施形態のさらに他の面によれば、金属層220を平坦化する段階は、第1の研磨パッド圧力で金属層220をCMPする段階を含み、金属プラグ220a、220bを平坦化する段階は第1の研磨パッド圧力より低い第2の研磨パッド圧力で金属プラグ220a、220bをCMPする段階を含む。特に、第1の研磨パッド圧力で金属層220をCMPする段階は約3psiのパッド圧力と約20rpm〜100rpmのパッド回転速度でSiOを含む研磨用スラリーを用いて金属層220を研磨する段階を含むことができる。追加的に、第2の研磨パッド圧力で金属プラグをCMPする段階は約1psiのパッド圧力と約20rpm〜100rpmのパッド回転速度でSiOを含む研磨用スラリーを用いて金属プラグを研磨する段階を含むことができる。 According to yet another aspect of the embodiment shown in FIGS. 4A-4E, planarizing the metal layer 220 includes CMPing the metal layer 220 with a first polishing pad pressure, and the metal plugs 220a, 220b. The step of planarizing includes CMP of the metal plugs 220a and 220b with a second polishing pad pressure lower than the first polishing pad pressure. In particular, CMPing the metal layer 220 with a first polishing pad pressure comprises polishing the metal layer 220 with a polishing slurry containing SiO 2 at a pad pressure of about 3 psi and a pad rotation speed of about 20 rpm to 100 rpm. Can be included. Additionally, CMPing the metal plug with a second polishing pad pressure comprises polishing the metal plug with a polishing slurry comprising SiO 2 at a pad pressure of about 1 psi and a pad rotation speed of about 20 rpm to 100 rpm. Can be included.

後述する金属プラグの柔らかい平坦化も、乾式エッチストッパー層216を十分に薄く(実質的なディッシングなしに)できて、これにより乾式エッチストッパー層216と第3の絶縁層230の全体誘電定数を減少させ、金属プラグ220a、220bと電気的に結合されうる重なった金属領域に関わる寄生電気容量を減少させることができる。   The soft planarization of the metal plug described later can also make the dry etch stopper layer 216 sufficiently thin (without substantial dishing), thereby reducing the overall dielectric constant of the dry etch stopper layer 216 and the third insulating layer 230. Accordingly, the parasitic capacitance related to the overlapped metal region that can be electrically coupled to the metal plugs 220a and 220b can be reduced.

また、本発明のさらに他の実施形態によれば、絶縁性乾式エッチストッパー層216を形成する段階は、第1の絶縁層214上に約200Å〜300Åの厚さを有する絶縁性乾式エッチストッパー層216を形成する段階を含む。この場合、金属プラグ220a、220bを平坦化する段階は約100Å〜200Åの厚さを有する乾式エッチストッパー層216を平坦化する段階を含むことができて、これにより寄生電気容量を減少させることができる。本発明のさらに他の実施形態によれば、絶縁性乾式エッチストッパー層216を形成する段階は第1の絶縁層214上にシリコンナイトライド、アモルファスシリコンカーバイド又はSiCN、又はこれらの組み合せを形成する段階を含む。   In addition, according to another embodiment of the present invention, the step of forming the insulating dry etch stopper layer 216 may include forming an insulating dry etch stopper layer having a thickness of about 200 to 300 on the first insulating layer 214. Forming 216. In this case, the step of planarizing the metal plugs 220a and 220b may include the step of planarizing the dry etch stopper layer 216 having a thickness of about 100 to 200 mm, thereby reducing the parasitic capacitance. it can. According to still another embodiment of the present invention, forming the insulating dry etch stopper layer 216 includes forming silicon nitride, amorphous silicon carbide or SiCN, or a combination thereof on the first insulating layer 214. including.

図5A〜図5Jを参照すれば、金属配線構造を形成するさらに他の方法は半導体基板に示される基板300の主表面上に第1の絶縁層310と第2の絶縁層312を形成する段階を含む。第1の絶縁層310は、約6,000Åの初期厚さを有するシリコンジオキシド(SiO)で形成でき、約3,500Åの厚さになるように研磨して平坦でない表面を除去できる。例えば、第2の絶縁層312は、約1,350Åの厚さを有するSiOC(carbon−doped silicon oxide)層で形成できる。さらに他の実施形態で、第1の絶縁層310はHDP、PECVD、又はSACVDなどの技術を用いたUSG又はBPSG層で形成できる。また、第2の絶縁層312はFSG(Fluorine doped Silica Glass)層で形成できる。さらに他の実施形態によれば、第1の絶縁層と第2の絶縁層は同じ物質で形成されてもよい。 Referring to FIGS. 5A to 5J, another method of forming a metal wiring structure is to form a first insulating layer 310 and a second insulating layer 312 on a main surface of a substrate 300 shown as a semiconductor substrate. including. The first insulating layer 310 can be formed of silicon dioxide (SiO 2 ) having an initial thickness of about 6,000 mm and can be polished to a thickness of about 3,500 mm to remove uneven surfaces. For example, the second insulating layer 312 may be formed of a carbon-doped silicon oxide (SiOC) layer having a thickness of about 1,350 mm. In still other embodiments, the first insulating layer 310 can be a USG or BPSG layer using techniques such as HDP, PECVD, or SACVD. The second insulating layer 312 can be formed of an FSG (Fluorine doped Silica Glass) layer. According to still another embodiment, the first insulating layer and the second insulating layer may be formed of the same material.

図5Bに示すように、第1の絶縁層310と第2の絶縁層312は写真エッチング工程を用いてパターニングされて、その内にコンタクトホール314を限定できる。本発明の一実施形態で、コンタクトホール314は基板300の主表面を露出してもよい。さらに他の実施形態においてコンタクトホールは第1の絶縁層310を通じて部分的にのみ延長してもよい。図5Cに示すように、その後に第1の金属層316は第2の絶縁層312の上側とコンタクトホール314の内側に配置される。このような第1の金属層316は約2,500Åの厚さを有するタングステン(W)層からなることができる。一部場合において、コンフォーマルに形成された第1の金属層316はコンタクトホール314の内側に垂直に延長した金属シーム317を形成しうる。   As shown in FIG. 5B, the first insulating layer 310 and the second insulating layer 312 can be patterned using a photoetching process to define a contact hole 314 therein. In one embodiment of the present invention, the contact hole 314 may expose the main surface of the substrate 300. In still other embodiments, the contact hole may extend only partially through the first insulating layer 310. As shown in FIG. 5C, the first metal layer 316 is then disposed on the upper side of the second insulating layer 312 and inside the contact hole 314. Such a first metal layer 316 may comprise a tungsten (W) layer having a thickness of about 2500 mm. In some cases, the conformally formed first metal layer 316 may form a metal seam 317 extending vertically inside the contact hole 314.

図5Dを参照すれば、第1の金属層316は平坦化されてすんなりとした主表面を有する第1の金属層316aを限定する。このような第1の金属層316の平坦化段階は、例えばRIE技術を用いて第1の金属層316をエッチバックするか、或いは第1の金属層316をCMPする段階を含むことができる。その後に反射防止膜318が金属層316a上に形成できる。反射防止膜318は、約1,000Åの厚さを有するSiON層で形成できる。図5Eに示すように、選択的に使用される反射防止膜318は、写真エッチング工程を用いてパターンが形成されたPR層320を精密に作ることができるようにする。図5Fに示すように、反射防止膜318と金属層316aの選択的なエッチングによってパターンが形成された反射防止膜318aとパターンが形成された金属層が形成される。このようなパターンが形成された金属層は金属領域316bと金属プラグ316cを含む。また、金属層316aに関する選択的なエッチングによって拡張されたシーム317が作られる。   Referring to FIG. 5D, the first metal layer 316 defines the first metal layer 316a having a smooth and smooth main surface. Such planarization of the first metal layer 316 may include etching back the first metal layer 316 using, for example, RIE techniques, or CMPing the first metal layer 316. Thereafter, an antireflection film 318 can be formed on the metal layer 316a. The antireflection film 318 can be formed of a SiON layer having a thickness of about 1,000 mm. As shown in FIG. 5E, the selectively used anti-reflective coating 318 allows the PR layer 320 patterned with a photolithography process to be precisely made. As shown in FIG. 5F, the antireflection film 318a and the metal layer having the pattern are formed by selective etching of the antireflection film 318 and the metal layer 316a. The metal layer on which such a pattern is formed includes a metal region 316b and a metal plug 316c. Also, an expanded seam 317 is created by selective etching with respect to the metal layer 316a.

図5Gを参照すれば、第2の絶縁層312(そしてパターンが形成された反射防止膜318a)は十分な時間の間選択的にエッチバックされて第1の絶縁層310を露出させ、パターンが形成された第2の絶縁層312aを限定する。このようなエッチング段階の間、パターンが形成された金属領域316bは一緒にハードエッチングマスクを形成するようになる。図5Hに示すように、残っている金属ハードマスク316bはエッチバックされて第2の絶縁層312aを露出させることができる。金属プラグ316cは、さらにエッチングされてその内に露出したシーム317を有する金属プラグ316dを限定できる。続いて、このような露出したシーム317は伝導性充填物質322で充填されるようになる。このような充填物質322は、CoWP層を選択的に形成することによって露出したシーム317に追加できる。露出したシーム317を伝導性充填物質322で充填した後、ブランケット金属バリヤ層(図示せず)が図5Hに示す構造上に形成できる。このような金属バリヤ層は例えば、タンタル(Ta)層やタンタルナイトライド(TaN)層、又はタンタル及びタンタルナイトライドを含んだ二重層で形成できる。図5Iを参照すれば、第2の金属層324が金属プラグ316dとパターンが形成された第2の絶縁層312a上に形成される。このような第2の金属層324は電気鍍金によって約6,000Åの厚さを有する銅(Cu)層で形成できる。図5Jを参照すれば、第2の金属層324が十分な時間の間平坦化されてパターンが形成された第2の絶縁層312aを露出させ、複数の配線パターン324a、324bを限定する。このような配線パターン324aは金属プラグ316d及び伝導性充填物質322と直接接するように形成される。   Referring to FIG. 5G, the second insulating layer 312 (and the patterned antireflection film 318a) is selectively etched back for a sufficient time to expose the first insulating layer 310, and the pattern is The formed second insulating layer 312a is limited. During such an etching step, the patterned metal regions 316b together form a hard etch mask. As shown in FIG. 5H, the remaining metal hard mask 316b can be etched back to expose the second insulating layer 312a. The metal plug 316c can be a metal plug 316d having a seam 317 further etched away and exposed therein. Subsequently, such exposed seam 317 is filled with conductive filler material 322. Such filler material 322 can be added to the exposed seam 317 by selectively forming a CoWP layer. After filling the exposed seam 317 with conductive filler material 322, a blanket metal barrier layer (not shown) can be formed on the structure shown in FIG. 5H. Such a metal barrier layer can be formed of, for example, a tantalum (Ta) layer, a tantalum nitride (TaN) layer, or a double layer containing tantalum and tantalum nitride. Referring to FIG. 5I, a second metal layer 324 is formed on the second insulating layer 312a patterned with the metal plug 316d. Such a second metal layer 324 may be formed of a copper (Cu) layer having a thickness of about 6,000 mm by electroplating. Referring to FIG. 5J, the second metal layer 324 is planarized for a sufficient time to expose the patterned second insulating layer 312a, thereby defining a plurality of wiring patterns 324a and 324b. The wiring pattern 324a is formed so as to be in direct contact with the metal plug 316d and the conductive filling material 322.

図面と明細書で本発明の代表的で好適な実施形態を記述してきた。そして、特定の用語を使用したが、これらは特許請求の範囲で説明される本発明の権利範囲を専ら包括的かつ記述的な意味で使用するものであって、限定的な目的で使用するものではない。   In the drawings and specification, there have been described exemplary and preferred embodiments of the invention. Although specific terms have been used, they are intended to be used in a comprehensive and descriptive sense exclusively for the scope of the present invention as described in the claims and for limited purposes. is not.

ダマシン工程段階を用いた金属配線層を形成する従来の方法を示す中間構造の断面図である。It is sectional drawing of the intermediate structure which shows the conventional method of forming the metal wiring layer using a damascene process step. ダマシン工程段階を用いた金属配線層を形成する従来の方法を示す中間構造の断面図である。It is sectional drawing of the intermediate structure which shows the conventional method of forming the metal wiring layer using a damascene process step. ダマシン工程段階を用いた金属配線層を形成する従来の方法を示す中間構造の断面図である。It is sectional drawing of the intermediate structure which shows the conventional method of forming the metal wiring layer using a damascene process step. 本発明の一実施形態によって、金属配線層を形成する方法を示す中間構造の断面図である。3 is a cross-sectional view of an intermediate structure illustrating a method of forming a metal wiring layer according to an embodiment of the present invention. FIG. 本発明の一実施形態によって、金属配線層を形成する方法を示す中間構造の断面図である。3 is a cross-sectional view of an intermediate structure illustrating a method of forming a metal wiring layer according to an embodiment of the present invention. FIG. 本発明の一実施形態によって、金属配線層を形成する方法を示す中間構造の断面図である。3 is a cross-sectional view of an intermediate structure illustrating a method of forming a metal wiring layer according to an embodiment of the present invention. FIG. 本発明の一実施形態によって、金属配線層を形成する方法を示す中間構造の断面図である。3 is a cross-sectional view of an intermediate structure illustrating a method of forming a metal wiring layer according to an embodiment of the present invention. FIG. 本発明の一実施形態によって、金属配線層を形成する方法を示す中間構造の断面図である。3 is a cross-sectional view of an intermediate structure illustrating a method of forming a metal wiring layer according to an embodiment of the present invention. FIG. 本発明の一実施形態によって、金属配線層を形成する方法を示す中間構造の断面図である。3 is a cross-sectional view of an intermediate structure illustrating a method of forming a metal wiring layer according to an embodiment of the present invention. FIG. 本発明の一実施形態によって、金属配線層を形成する方法を示す中間構造の断面図である。3 is a cross-sectional view of an intermediate structure illustrating a method of forming a metal wiring layer according to an embodiment of the present invention. FIG. 本発明の他の実施形態によって、図2F〜図2Gに示すことを代替する工程段階を示す中間構造の断面図である。2D is a cross-sectional view of an intermediate structure showing process steps alternative to those shown in FIGS. 2F-2G according to another embodiment of the present invention. FIG. 本発明の他の実施形態によって、図2F〜図2Gに示すことを代替する工程段階を示す中間構造の断面図である。2D is a cross-sectional view of an intermediate structure showing process steps alternative to those shown in FIGS. 2F-2G according to another embodiment of the present invention. FIG. 本発明のさらに他の実施形態によって、金属配線構造を形成する方法を示す中間構造の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of an intermediate structure showing a method of forming a metal wiring structure according to still another embodiment of the present invention. 本発明のさらに他の実施形態によって、金属配線構造を形成する方法を示す中間構造の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of an intermediate structure showing a method of forming a metal wiring structure according to still another embodiment of the present invention. 本発明のさらに他の実施形態によって、金属配線構造を形成する方法を示す中間構造の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of an intermediate structure showing a method of forming a metal wiring structure according to still another embodiment of the present invention. 本発明のさらに他の実施形態によって、金属配線構造を形成する方法を示す中間構造の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of an intermediate structure showing a method of forming a metal wiring structure according to still another embodiment of the present invention. 本発明のさらに他の実施形態によって、金属配線構造を形成する方法を示す中間構造の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of an intermediate structure showing a method of forming a metal wiring structure according to still another embodiment of the present invention. 本発明のさらに他の実施形態によって、金属配線構造を形成する方法を示す中間構造の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of an intermediate structure showing a method of forming a metal wiring structure according to still another embodiment of the present invention. 本発明のさらに他の実施形態によって、金属配線構造を形成する方法を示す中間構造の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of an intermediate structure showing a method of forming a metal wiring structure according to still another embodiment of the present invention. 本発明のさらに他の実施形態によって、金属配線構造を形成する方法を示す中間構造の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of an intermediate structure showing a method of forming a metal wiring structure according to still another embodiment of the present invention. 本発明のさらに他の実施形態によって、金属配線構造を形成する方法を示す中間構造の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of an intermediate structure showing a method of forming a metal wiring structure according to still another embodiment of the present invention. 本発明のさらに他の実施形態によって、金属配線構造を形成する方法を示す中間構造の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of an intermediate structure showing a method of forming a metal wiring structure according to still another embodiment of the present invention. 本発明のさらに他の実施形態によって、金属配線構造を形成する方法を示す中間構造の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of an intermediate structure showing a method of forming a metal wiring structure according to still another embodiment of the present invention. 本発明のさらに他の実施形態によって、金属配線構造を形成する方法を示す中間構造の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of an intermediate structure showing a method of forming a metal wiring structure according to still another embodiment of the present invention. 本発明のさらに他の実施形態によって、金属配線構造を形成する方法を示す中間構造の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of an intermediate structure showing a method of forming a metal wiring structure according to still another embodiment of the present invention. 本発明のさらに他の実施形態によって、金属配線構造を形成する方法を示す中間構造の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of an intermediate structure showing a method of forming a metal wiring structure according to still another embodiment of the present invention. 本発明のさらに他の実施形態によって、金属配線構造を形成する方法を示す中間構造の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of an intermediate structure showing a method of forming a metal wiring structure according to still another embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

300 基板
310 第1の絶縁層
312、312a 第2の絶縁層
314 コンタクトホール
316、316a 第1の金属層
316b 金属領域・金属ハードマスク
316c、316d 金属プラグ
317 シーム
318、318a 反射防止膜
320 PR層
322 伝導性充填物質
324 第2の金属層
324a、324b 配線パターン
300 Substrate 310 First insulating layer 312, 312a Second insulating layer 314 Contact hole 316, 316a First metal layer 316b Metal region / metal hard mask 316c, 316d Metal plug 317 Seam 318, 318a Antireflection film 320 PR layer 322 conductive filling material 324 second metal layer 324a, 324b wiring pattern

Claims (16)

半導体基板上に第1の絶縁層を形成する段階;
前記第1の絶縁層上に第2の絶縁層を形成する段階;
前記第2の絶縁層と前記第1の絶縁層とを順次に選択的にエッチングしてコンタクトホールを形成する段階;
前記第2の絶縁層をエッチングして複数のリセスを形成する段階;
前記第2の絶縁層の上と前記コンタクトホール及び前記リセスの内側に延長する第1の金属層を形成する段階;
前記第1の金属層をパターニングして前記第2の絶縁層を露出させる段階;
前記パターンが形成された第1の金属層をエッチングマスクとして用いて、前記リセスに対応する領域が残るように前記第2の絶縁層を選択的にエッチングして前記第1の絶縁層を露出させ、前記コンタクトホール内の金属プラグを露出させる開口部を形成する段階;
伝導性充填物質で前記露出した金属プラグ内のシームを充填する段階;及び
前記伝導性充填物質で充填された前記露出した金属プラグ上に、前記開口部を埋める第2の金属層を形成する段階を含むことを特徴とする金属配線構造を形成する方法。
Forming a first insulating layer on a semiconductor substrate;
Forming a second insulating layer on the first insulating layer;
Selectively etching the second insulating layer and the first insulating layer sequentially to form a contact hole;
Etching the second insulating layer to form a plurality of recesses;
Forming a first metal layer extending on the second insulating layer and inside the contact hole and the recess ;
Patterning the first metal layer to expose the second insulating layer;
Using the first metal layer with the pattern formed as an etching mask, the second insulating layer is selectively etched to expose the first insulating layer so that a region corresponding to the recess remains. Forming an opening exposing the metal plug in the contact hole;
Filling a seam in the exposed metal plug with a conductive filler material; and forming a second metal layer filling the opening on the exposed metal plug filled with the conductive filler material. A method of forming a metal wiring structure comprising:
前記シームを充填する段階は、CoWPで前記露出した金属プラグ内のシームを充填する段階を含むことを特徴とする請求項1に記載の金属配線構造を形成する方法。   The method of claim 1, wherein filling the seam includes filling a seam in the exposed metal plug with CoWP. 前記パターニングする段階は、
前記第1の金属層上に反射防止膜を形成する段階;
前記反射防止膜上にPR層を形成する段階;
前記PR層をパターニングする段階;及び
前記パターンが形成されたPR層をエッチングマスクとして用いて前記反射防止膜と前記第1の金属層を順次にエッチングする段階を含むことを特徴とする請求項1に記載の金属配線構造を形成する方法。
The patterning step comprises:
Forming an anti-reflective coating on the first metal layer;
Forming a PR layer on the antireflection film;
The method of claim 1, further comprising: patterning the PR layer; and sequentially etching the antireflection film and the first metal layer using the PR layer having the pattern as an etching mask. A method of forming the metal wiring structure described in 1.
前記第2の金属層を形成する段階に次いで前記第2の金属層を平坦化して前記第2の絶縁層を露出させる段階を含むことを特徴とする請求項1に記載の金属配線構造を形成する方法。 Metal wire according to claim 1, characterized in that it comprises the step of exposing the second insulating layer and planarizing the pre-Symbol second metal layer next to the step of forming the second metal layer A method of forming a structure. 前記第2の金属層を形成する段階は、前記露出した金属プラグ上に銅層を電気鍍金する段階を含むことを特徴とする請求項1に記載の金属配線構造を形成する方法。   The method of claim 1, wherein forming the second metal layer comprises electroplating a copper layer on the exposed metal plug. 基板上に絶縁層を形成する段階;
前記絶縁層を選択的にエッチングしてコンタクトホールを形成する段階;
前記コンタクトホール内側に第1の金属層を形成してシームを有する金属プラグを形成する段階;
前記絶縁層をエッチバックして前記金属プラグを露出させる段階;
前記金属プラグをエッチバックしてシームの面積を拡張する段階;
伝導性充填物質で前記導出された金属プラグ内のシームを充填する段階;及び
前記露出した金属プラグ上に第2の金属層を形成する段階を含むことを特徴とする金属配線構造を形成する方法。
Forming an insulating layer on the substrate;
Selectively etching the insulating layer to form a contact hole;
Forming a metal plug having a seam to form a first metal layer on the inside said contact hole;
Etching back the insulating layer to expose the metal plug;
Etching back the metal plug to expand the area of the seam;
Filling a seam in the derived metal plug with a conductive filler material; and forming a second metal layer on the exposed metal plug. .
前記第2の金属層を形成する段階に次いで前記第2の金属層を平坦化して前記金属プラグを含む金属配線構造を形成する段階を含むことを特徴とする請求項6に記載の金属配線構造を形成する方法。 7. The metal wiring structure according to claim 6, further comprising the step of flattening the second metal layer to form a metal wiring structure including the metal plug after the step of forming the second metal layer. How to form. 前記第1の金属層はタングステンであり、
前記第2の金属層は銅であることを特徴とする請求項6に記載の金属配線構造を形成する方法。
The first metal layer is tungsten;
The method of forming a metal wiring structure according to claim 6, wherein the second metal layer is copper.
前記伝導性充填物質はCoWPを含むことを特徴とする請求項6に記載の金属配線構造を形成する方法。   The method of forming a metal wiring structure according to claim 6, wherein the conductive filling material includes CoWP. 前記第2の金属層を形成する段階は、前記露出した金属プラグ上に前記第2の金属層を電気鍍金する段階を含むことを特徴とする請求項6に記載の金属配線構造を形成する方法。   7. The method of forming a metal wiring structure according to claim 6, wherein forming the second metal layer includes electroplating the second metal layer on the exposed metal plug. . 前記第2の金属層を形成する段階の前に前記露出した金属プラグ上にタンタル及び/ 又はタンタルナイトライドを含んだバリヤ金属層を形成する段階を含むことを特徴とする請求項6に記載の金属配線構造を形成する方法。   7. The method of claim 6, further comprising forming a barrier metal layer including tantalum and / or tantalum nitride on the exposed metal plug prior to forming the second metal layer. A method of forming a metal wiring structure. 半導体基板上に第1の絶縁層を形成する段階;
前記第1の絶縁層上に第2の絶縁層を形成する段階;
前記第1の絶縁層と前記第2の絶縁層を順次に選択的にエッチングして前記第2の絶縁層を貫通して前記第1の絶縁層の内側に延長するコンタクトホールを形成する段階;
前記第2の絶縁層の上と前記コンタクトホールの内側に延長するタングステン層を形成する段階;
前記タングステン層をパターニングしてハードマスクを形成する段階;
前記ハードマスクをエッチングマスクとして用いて前記第2の絶縁層を選択的にエッチングして前記コンタクトホール内のタングステンプラグを露出させる段階;
CoWPで前記タングステンプラグ内のシームを充填する段階;及び
前記タングステンプラグとコンタクトする銅配線パターンを形成する段階を含むことを特徴とする金属配線構造を形成する方法。
Forming a first insulating layer on a semiconductor substrate;
Forming a second insulating layer on the first insulating layer;
Selectively etching the first insulating layer and the second insulating layer sequentially to form a contact hole extending through the second insulating layer to the inside of the first insulating layer;
Forming a tungsten layer extending on the second insulating layer and inside the contact hole;
Forming a hard mask by patterning the tungsten layer;
Selectively etching the second insulating layer using the hard mask as an etching mask to expose a tungsten plug in the contact hole;
Filling the seam in the tungsten plug with CoWP; and forming a copper wiring pattern in contact with the tungsten plug.
前記銅配線パターンを形成する段階は、
前記タングステンプラグ上側に銅層を電気鍍金する段階;及び
前記銅層をCMPする段階を含むことを特徴とする請求項12に記載の金属配線構造を形成する方法。
The step of forming the copper wiring pattern includes:
13. The method of forming a metal wiring structure according to claim 12, comprising: electroplating a copper layer on the tungsten plug; and CMPing the copper layer.
前記タングステン層をパターニングする段階の前に前記タングステン層をCMPする段階を含むことを特徴とする請求項13に記載の金属配線構造を形成する方法。   14. The method of forming a metal wiring structure according to claim 13, further comprising CMPing the tungsten layer before patterning the tungsten layer. 前記タングステン層をパターニングする段階の前に前記タングステン層をCMPする段階を含むことを特徴とする請求項12に記載の金属配線構造を形成する方法。   13. The method of forming a metal wiring structure according to claim 12, comprising CMP the tungsten layer before patterning the tungsten layer. 半導体基板上に少なくとも一つ以上の絶縁層を形成する段階;
前記少なくとも一つ以上の絶縁層を選択的にエッチングしてコンタクトホールを形成する段階;
前記コンタクトホール内にシームを有するタングステンプラグを形成する段階;
前記少なくとも一つ以上の絶縁層を選択的にエッチングして前記コンタクトホール内の前記タングステンプラグの一部分を露出させる段階;
CoWPで前記タングステンプラグ内の前記シームを充填する段階;及び
前記充填されるシームを含んだ前記タングステンプラグ上に銅配線パターンを形成する段階を含むことを特徴とする金属配線構造を形成する方法。
Forming at least one insulating layer on the semiconductor substrate;
Selectively etching the at least one insulating layer to form a contact hole;
Forming a tungsten plug having a seam in the contact hole;
Selectively etching the at least one insulating layer to expose a portion of the tungsten plug in the contact hole;
Filling the seam in the tungsten plug with CoWP; and forming a copper wiring pattern on the tungsten plug including the seam to be filled.
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