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KR100552810B1 - Metal wiring formation method of semiconductor device - Google Patents

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KR100552810B1
KR100552810B1 KR1020030101824A KR20030101824A KR100552810B1 KR 100552810 B1 KR100552810 B1 KR 100552810B1 KR 1020030101824 A KR1020030101824 A KR 1020030101824A KR 20030101824 A KR20030101824 A KR 20030101824A KR 100552810 B1 KR100552810 B1 KR 100552810B1
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동부아남반도체 주식회사
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    • H10W20/074

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Abstract

소정의 하부 구조를 가지는 반도체 기판 위에 제1 식각 정지막, 층간 절연막, 제2 식각 정지막 및 배선 절연막을 적층하는 단계, 배선 절연막 위에 접촉홀 패턴을 형성하는 단계, 접촉홀 패턴을 마스크로 하여 노출된 배선 절연막, 제1 식각 정지막, 층간 절연막을 식각하여 접촉홀을 형성하는 단계, 접촉홀 패턴을 제거한 후, 배선 절연막 위에 트렌치 패턴을 형성하는 단계, 트렌치 패턴을 마스크로 하여 노출된 상기 배선 절연막을 식각하여 트렌치를 형성하는 단계, 트렌치 패턴을 제거한 후, 노출된 상기 제1 식각 정지막과 제2 식각 정지막을 제거하는 단계를 포함하고, 제1 식각 정지막 및 제2 식각 정지막은 5 내지 30 % 의 실리콘이 함유된 산화 질화막인 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.Stacking a first etch stop film, an interlayer insulating film, a second etch stop film, and a wiring insulating film on a semiconductor substrate having a predetermined substructure, forming a contact hole pattern on the wiring insulating film, and exposing the contact hole pattern as a mask. Etching the formed wiring insulating film, the first etch stop film, and the interlayer insulating film to form a contact hole, removing the contact hole pattern, and then forming a trench pattern on the wiring insulating film, wherein the wiring insulating film is exposed using the trench pattern as a mask. Etching to form a trench, and after removing the trench pattern, removing the exposed first etch stop layer and the second etch stop layer, wherein the first etch stop layer and the second etch stop layer are 5 to 30. A metal wiring formation method for a semiconductor device, which is an oxynitride film containing% silicon.

식각정지막, 산화질화막Etch stop layer, oxynitride layer

Description

반도체 소자의 금속 배선 형성 방법{METAL LINE FORMATION METHOD OF SEMICONDUCTOR DEVICE}Metal wire formation method of semiconductor device {METAL LINE FORMATION METHOD OF SEMICONDUCTOR DEVICE}

도 1 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 제조 공정 별로 도시한 도면이다. 1 to 6 are diagrams illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention for each manufacturing process.

본 발명은 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 듀얼 다마신 공정(dual damascene process)을 이용하여 반도체 소자의 금속 배선을 형성하는 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming metal wirings in semiconductor devices, and more particularly, to a method for forming metal wirings in semiconductor devices using a dual damascene process.

일반적으로 반도체 소자의 금속 배선은 알루미늄 및 그 합금, 구리 등의 금속 박막을 이용하여 반도체 소자 사이의 전기적 접속 및 패드 접속을 통해 반도체 기판 내에 형성되어 있는 회로를 연결한다. Generally, the metal wiring of a semiconductor element connects the circuit formed in the semiconductor substrate through the electrical connection and pad connection between semiconductor elements using metal thin films, such as aluminum, its alloy, and copper.

이러한 금속 배선의 형성은 산화막 등의 절연막에 의해 격리된 소자 전극 및 패드를 연결하기 위하여, 먼저 절연막을 선택적으로 식각하여 접촉홀을 형성하고, 베리어 메탈과 텅스텐을 이용하여 접촉홀을 통한 금속 플러그를 형성한다. 그리고, 상부에 금속 박막을 형성하고, 패터닝(patterning)하여 소자 전극 및 패드를 접속하기 위한 금속 배선을 형성한다.In order to connect the device electrodes and pads separated by an insulating film such as an oxide film, the metal wiring is first formed by selectively etching the insulating film to form a contact hole, and using a barrier metal and tungsten to form a metal plug through the contact hole. Form. Then, a metal thin film is formed on the upper portion, and patterned to form a metal wiring for connecting the device electrode and the pad.

이와 같은 금속 배선을 패터닝하기 위하여 주로 포토리소그래피(photolithography) 공정을 이용하는 데, 반도체 소자의 미세화에 따라 금속 배선의 CD(critical dimension)가 점차적으로 작아짐으로 해서 금속 배선의 미세 패턴을 형성하는 데 어려움이 있다. 따라서, 이러한 것을 방지하여 미세 패턴의 금속 배선을 형성하기 위하여 도입된 것이 다마신 공정이다.In order to pattern the metal wiring, a photolithography process is mainly used, and as the semiconductor device becomes smaller, the CD (critical dimension) of the metal wiring is gradually smaller, making it difficult to form a fine pattern of the metal wiring. have. Therefore, a damascene process is introduced to prevent such a problem and form a fine pattern metal wiring.

다마신 공정은 절연막의 접촉홀에 텅스텐 플러그를 형성한 후, 절연막 상부에 산화막 등의 상부 절연막을 증착하고, 포토리소그래피 공정에 의해 금속 배선 패턴이 형성될 부위의 상부 절연막만을 제거하며, 그 상부에 금속 박막을 증착한 다음 금속 박막을 평탄화함으로써 미세 패턴의 금속 배선층을 형성하는 것이다.The damascene process forms a tungsten plug in the contact hole of the insulating film, and then deposits an upper insulating film such as an oxide film on the insulating film, and removes only the upper insulating film at the portion where the metal wiring pattern is to be formed by the photolithography process. By depositing a metal thin film and then planarizing the metal thin film, a fine pattern metal wiring layer is formed.

또한, 최근에는 텅스텐 플러그와 같은 금속 플러그의 형성없이 일체로 하부 도전막에 접속되는 금속 배선을 형성하기 위한 듀얼 다마신 공정이 도입되고 있다.In recent years, a dual damascene process for forming metal wirings integrally connected to the lower conductive film without the formation of metal plugs such as tungsten plugs has been introduced.

식각 정지막과 절연막을 이중으로 적층한 후 식각 정지막과 절연막의 식각 선택률(etch selectivity)을 이용하여 식각 공정을 진행하는 듀얼 다마신 공정에 사용되는 식각 정지막으로는 질화막(SiN) 또는 산화 질화막(SiON)이 주로 이용되고, 절연막으로는 플로린 실리케이트 글래스(Fluorine Silicate Glass, FSG)가 주로 이용된다. An etch stop layer used in the dual damascene process in which an etch stop layer and an insulating layer are stacked in a double layer and then etched using the etch selectivity of the etch stop layer and the insulating layer is used as a nitride layer (SiN) or an oxynitride layer. (SiON) is mainly used, and Florin silicate glass (FSG) is mainly used as the insulating film.

그러나, 이러한 식각 정지막과 FSG가 적층되는 경우에 막 사이의 스트레스(stress)가 증가되고, 계면간의 접촉이 불량해지는 문제점이 발생한다. 따라서, 후속 금속 배선 공정 시 거품 현상(bubbling defect)등이 발생하기 쉽고, 그에 따라 반도체 소자의 수율, 특성 및 신뢰성이 저하된다는 문제점이 발생한다. However, when such an etch stop film and the FSG are stacked, stress between the films increases and poor contact between the interfaces occurs. Therefore, a bubbling defect is likely to occur in a subsequent metal wiring process, and thus a problem occurs that yield, characteristics, and reliability of a semiconductor device are deteriorated.

본 발명의 기술적 과제는 다마신 공정에서 접촉홀 및 트렌치를 용이하게 형성할 수 있고, 층간 절연막 및 배선 절연막과의 식각률의 차이를 향상시킬 수 있는 식각 정지막을 형성하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION An aspect of the present invention provides a method for forming a metal wiring in a semiconductor device in which a contact hole and a trench can be easily formed in a damascene process, and an etch stop film is formed to improve a difference in etching rate between an interlayer insulating film and a wiring insulating film. To provide.

본 발명에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법은 소정의 하부 구조를 가지는 반도체 기판 위에 제1 식각 정지막, 층간 절연막, 제2 식각 정지막 및 배선 절연막을 적층하는 단계, 상기 배선 절연막 위에 접촉홀 패턴을 형성하는 단계, 상기 접촉홀 패턴을 마스크로 하여 노출된 상기 배선 절연막, 제1 식각 정지막, 층간 절연막을 식각하여 접촉홀을 형성하는 단계, 상기 접촉홀 패턴을 제거한 후, 상기 배선 절연막 위에 트렌치 패턴을 형성하는 단계, 상기 트렌치 패턴을 마스크로 하여 노출된 상기 배선 절연막을 식각하여 트렌치를 형성하는 단계, 상기 트렌치 패턴을 제거한 후, 노출된 상기 제1 식각 정지막과 제2 식각 정지막을 제거하는 단계를 포함하고, 상기 제1 식각 정지막 및 제2 식각 정지막은 5 내지 30 % 의 실리콘이 함유된 산화 질화막인 것이 바람직하다. In the method of forming a metal wiring of a semiconductor device according to the present invention, the first etching stop layer, the interlayer insulating film, the second etch stop film and the wiring insulating film are stacked on a semiconductor substrate having a predetermined substructure, and the contact hole pattern is formed on the wiring insulating film. Forming a contact hole by etching the exposed wiring insulating layer, the first etch stop layer, and the interlayer insulating layer by using the contact hole pattern as a mask, removing the contact hole pattern, and then forming a trench on the wiring insulating layer. Forming a pattern, etching the exposed wiring insulating layer using the trench pattern as a mask to form a trench, removing the trench pattern, and then removing the exposed first etch stop layer and the second etch stop layer And the first etching stop film and the second etching stop film are oxynitride films containing 5 to 30% of silicon. It is preferred.

또한, 상기 실리콘은 비정질 실리콘 또는 폴리 실리콘 중 어느 하나인 것이 바람직하다. In addition, the silicon is preferably one of amorphous silicon or polysilicon.

또한, 상기 제1 식각 정지막과 층간 절연막을 동일한 챔버에서 형성하고, 제2 식각 정지막과 배선 절연막을 동일한 챔버에서 형성하는 것이 바람직하다. The first etch stop layer and the interlayer insulating layer may be formed in the same chamber, and the second etch stop layer and the wiring insulating layer may be formed in the same chamber.

또한, 상기 제1 식각 정지막을 형성한 후 진공 상태 없이 층간 절연막을 형성하고, 상기 제2 식각 정지막을 형성한 후 진공 상태 없이 배선 절연막을 형성하는 것이 바람직하다. In addition, after forming the first etch stop layer, it is preferable to form an interlayer insulating film without a vacuum state, and after forming the second etch stop layer, a wiring insulation layer may be formed without a vacuum state.

또한, 상기 제1 식각 정지막 및 제2 식각 정지막은 30 % 이상, 70 % 이하의 Si-N인 함유된 산화 질화막인 것이 바람직하다. The first etch stop film and the second etch stop film are preferably contained oxynitride films of 30% or more and 70% or less of Si-N.

또한, 상기 제1 식각 정지막 및 제2 식각 정지막은 13.56 MHz 또는 100 Hz 내지 1 MHz 의 고주파 전원을 사용하여 PECVD 방법으로 형성하는 것이 바람직하다. In addition, the first etch stop layer and the second etch stop layer is preferably formed by a PECVD method using a high frequency power source of 13.56 MHz or 100 Hz to 1 MHz.

또한, 상기 PECVD 방법은 0 내지 2 KW 의 플라즈마 발생 전력으로 기판 바이어스를 인가하는 것이 바람직하다. In addition, the PECVD method preferably applies a substrate bias with a plasma generation power of 0 to 2 KW.

또한, 상기 PECVD 방법은 0.5 내지 20 torr의 압력 하에서 진행하는 것이 바람직하다. In addition, the PECVD method is preferably carried out under a pressure of 0.5 to 20 torr.

또한, 상기 PECVD 방법은 0 내지 500 sccm의 SiH4 ,0 내지 5000 sccm의 N2O , 0 내지 50000 sccm의 N2 를 혼합한 기체를 사용하는 것이 바람직하다. Also, the PECVD method is preferably used in a gas a mixture of SiH 4, from 0 to 5000 sccm of N 2 O, 0 to 50000 sccm N 2 in the range of 0 to 500 sccm.

또한, 상기 PECVD 방법은 불활성 기체를 첨가하여 희석된 증착용 혼합 기체를 사용하는 것이 바람직하다. In addition, the PECVD method preferably uses a mixed gas for deposition diluted by adding an inert gas.

또한, 상기 불활성 기체는 He, Ne 또는 Ar 중의 어느 하나인 것이 바람직하다. In addition, the inert gas is preferably any one of He, Ne or Ar.

또한, 상기 접촉홀과 트렌치의 내벽을 포함한 상기 하부 구조 위에 베리어 금속막을 증착하고, 상기 베리어 금속막 위에 금속 씨드막을 증착하는 단계, 상기 접촉홀과 트렌치에 금속 박막을 증착하는 단계, 화학적 금속적 연마 공정에 의해 상기 배선 절연막 위의 금속 박막, 금속 씨드막 및 베리어 금속막을 제거하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. In addition, depositing a barrier metal film on the lower structure including the contact hole and the inner wall of the trench, depositing a metal seed film on the barrier metal film, depositing a metal thin film in the contact hole and the trench, chemical metallic polishing The method may further include removing the metal thin film, the metal seed film, and the barrier metal film on the wiring insulating film by the process.

그러면, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. Then, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.In the drawings, the thickness of layers, films, panels, regions, etc., are exaggerated for clarity. Like parts are designated by like reference numerals throughout the specification. When a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be "on" another part, this includes not only the other part being "right over" but also another part in the middle. On the contrary, when a part is "just above" another part, there is no other part in the middle.

이제 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.A method of forming metal wirings of a semiconductor device according to an exemplary embodiment of the present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 공정 단계별로 나타낸 단면도이다.1 to 6 are cross-sectional views illustrating a method of forming metal wires in a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법은 우선, 소자 전극 또는 전도층이 형성된 박막을 포함하는 반도체 기판(1) 위에 전도층과 후속 공정에 의해 형성되는 금속 배선과의 반응을 방지하 고, 후속 공정에서 층간 절연막을 식각할 경우 식각 정지점으로 이용하기 위하여 제1 식각 정지막(2)을 형성한다. 그리고, 제1 식각 정지막(2) 상부에 층간 절연막(3)을 증착하고, 층간 절연막(3) 상부에 후속 공정에서 배선 절연막을 식각할 경우 식각 정지점으로 이용하기 위하여 제2 식각 정지막(4)을 형성한다. 이후, 제2 식각 정지막(4) 상부에 금속 배선층 형성을 위한 배선 절연막(5)을 증착한다.As shown in FIG. 1, a method of forming metal wires in a semiconductor device according to an embodiment of the present invention is first performed by a conductive layer and a subsequent process on a semiconductor substrate 1 including a thin film on which a device electrode or a conductive layer is formed. The first etch stop layer 2 is formed in order to prevent reaction with the metal lines to be formed and to use it as an etch stop point when the interlayer insulating layer is etched in a subsequent process. When the interlayer insulating layer 3 is deposited on the first etch stop layer 2, and the wiring insulating layer is etched on the interlayer insulating layer 3 in a subsequent process, the second etch stop layer may be used as an etch stop point. 4) form. Subsequently, a wiring insulating layer 5 for forming a metal wiring layer is deposited on the second etch stop layer 4.

이 때, 제1 식각 정지막(2) 및 제2 식각 정지막(4)은 PECVD(Plasma Enhanced CVD) 장비를 이용하여 산화 질화막(SiON)으로 형성하는 것이 바람직하다. In this case, the first etch stop layer 2 and the second etch stop layer 4 may be formed of an oxynitride layer (SiON) using PECVD (Plasma Enhanced CVD) equipment.

제1 식각 정지막(2) 및 제2 식각 정지막(4)을 산화 질화막으로 형성하는 경우, 증착 기체의 혼합 비율, 플라즈마 여기 전력, 기판 온도, 챔버 압력 등의 장비 인자를 조절함으로써 비정질 실리콘 또는 폴리 실리콘, Si-N, Si-O 함량을 특정하게 갖는 제1 식각 정지막(2) 및 제2 식각 정지막(4)을 형성한다. When the first etch stop film 2 and the second etch stop film 4 are formed of an oxynitride film, amorphous silicon or the like is controlled by adjusting equipment factors such as the mixing ratio of the deposition gas, the plasma excitation power, the substrate temperature, and the chamber pressure. A first etch stop film 2 and a second etch stop film 4 having specifically polysilicon, Si-N, and Si-O contents are formed.

이러한 산화 질화막은 비정질 실리콘 또는 폴리 실리콘, Si-N 및 Si-O 로 이루어지며, 이러한 산화 질화막으로 이루어진 제1 식각 정지막(2) 및 제2 식각 정지막(4)은 5 내지 30 % 의 비정질 실리콘 또는 폴리 실리콘이 함유되고, 30 % 이상, 70 % 이하의 Si-N이 함유된 산화 질화막으로 형성하여 ILD(Inter later Dielectric) 또는 IMD(Inter Metal Dielectric)로서 사용 가능한 굴절률(n), 흡수 상수(k) 값을 유지하는 것이 바람직하다. 여기서, %는 체적 %를 의미한다. The oxynitride film is made of amorphous silicon or polysilicon, Si-N, and Si-O, and the first etch stop film 2 and the second etch stop film 4 made of the oxynitride film are 5 to 30% of amorphous material. Refractive index (n), absorption constant formed of oxynitride film containing silicon or polysilicon and containing 30% or more and 70% or less of Si-N and usable as Inter later Dielectric (ILD) or Inter Metal Dielectric (IMD) It is desirable to maintain the value (k). Here,% means volume%.

이러한 제1 식각 정지막(2) 및 제2 식각 정지막(4)은 13.56 MHz 또는 100 Hz 내지 1 MHz 의 고주파 전원을 사용하여 PECVD 방법으로 형성하는 것이 바람직하다. 그리고, PECVD 방법은 0 내지 2 KW 의 플라즈마 발생 전력으로 기판 바이어스를 인가하고, 0.5 내지 20 torr의 압력 하에서 진행하여 박막 밀도를 높일 수 있다. The first etch stop film 2 and the second etch stop film 4 are preferably formed by a PECVD method using a high frequency power source of 13.56 MHz or 100 Hz to 1 MHz. In the PECVD method, the substrate bias may be applied at a plasma generation power of 0 to 2 KW, and the pressure may be increased under a pressure of 0.5 to 20 torr to increase the thin film density.

그리고, PECVD 방법은 0 내지 500 sccm의 SiH4 ,0 내지 5000 sccm의 N2O , 0 내지 50000 sccm의 N2 를 혼합한 기체를 사용하고, 여기에 He, Ne 또는 Ar 등의 불활성 기체를 첨가하여 희석된 증착용 혼합 기체를 사용하여 박막 균일도를 향상시킬 수 있다. In the PECVD method, a mixture of 0 to 500 sccm of SiH 4 , 0 to 5000 sccm of N 2 O and 0 to 50000 sccm of N 2 is used, and an inert gas such as He, Ne, or Ar is added thereto. The thin film uniformity can be improved by using the diluted mixed gas for deposition.

그리고, 제1 식각 정지막(2)과 층간 절연막(3)을 동일한 챔버에서 형성하고, 제2 식각 정지막(4)과 배선 절연막(5)을 동일한 챔버에서 형성한다. 즉, 제1 식각 정지막(2)을 형성한 후 진공 상태 없이 동일한 챔버에서 층간 절연막(3)을 형성하고, 제2 식각 정지막(4)을 형성한 후 진공 상태 없이 동일한 챔버에서 배선 절연막(5)을 형성하는 것이 바람직하다. 이는 제1 식각 정지막(2) 및 제2 식각 정지막(4)을 형성하는 증착 기체의 혼합 비율, 플라즈마 여기 전력, 기판 온도, 챔버 압력 등의 PECVD 장비 인자를 정확하게 조절함으로써 비정질 실리콘 또는 폴리 실리콘, Si-N, Si-O 함량을 특정하게 갖도록 하기 위함이다. The first etch stop film 2 and the interlayer insulating film 3 are formed in the same chamber, and the second etch stop film 4 and the wiring insulating film 5 are formed in the same chamber. That is, after the first etch stop layer 2 is formed, the interlayer insulating layer 3 is formed in the same chamber without the vacuum state, and after the second etch stop layer 4 is formed, the wiring insulation layer 3 is formed in the same chamber without the vacuum state. It is preferable to form 5). This is accomplished by precisely controlling PECVD equipment parameters such as the mixing ratio of the deposition gas, plasma excitation power, substrate temperature, chamber pressure, etc. forming the first etch stop film 2 and the second etch stop film 4. In order to have a specific Si-N and Si-O content.

이렇게 형성된 제1 식각 정지막(2) 및 제2 식각 정지막(4)은 후속으로 이루어지는 식각 공정에서 층간 절연막(3) 및 배선 절연막(5)과의 식각률(etch rate) 차이에 의한 과식각에 의해 발생하기 쉬운 패턴 불량 및 하부 박막의 손상 등을 방지할 수 있다.The first etch stop layer 2 and the second etch stop layer 4 thus formed may be subjected to over-etching due to a difference in etching rates between the interlayer insulating layer 3 and the wiring insulating layer 5 in a subsequent etching process. It is possible to prevent pattern defects and damage to the lower thin film which are likely to occur.

그리고, 비정질 실리콘 또는 폴리 실리콘의 체적 %를 조절함으로써 박막의 스트레스를 개선하고, 상부 및 하부막과의 접착력을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다. In addition, by adjusting the volume% of the amorphous silicon or polysilicon, the stress of the thin film may be improved and the adhesion to the upper and lower layers may be improved.

그 다음 도 2에 도시한 바와 같이, 배선 절연막(5) 상부에 접촉홀 형성을 위한 접촉홀 패턴(6)을 형성한 후, 접촉홀 패턴(6)을 마스크로 플라즈마를 이용한 건식 식각에 의해 드러난 배선 절연막(5)을 식각하여 제거하고, 다시 드러난 제2 식각 정지막(4)을 식각하여 제거하고, 재차 드러난 층간 절연막(3)을 식각하여 제거함으로써 층간 절연막(3)에 접촉홀(7)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 2, after forming the contact hole pattern 6 for forming the contact hole on the wiring insulating layer 5, the contact hole pattern 6 is exposed by dry etching using plasma as a mask. The wiring insulating film 5 is etched and removed, and the second etch stop film 4 again exposed is etched and removed, and the exposed interlayer insulating film 3 is etched and removed, thereby contacting the interlayer insulating film 3 with the contact hole 7. To form.

그 다음 도 3에 도시한 바와 같이, 접촉홀 패턴(6)을 제거한 후, 배선 절연막(5) 상부에 금속 배선이 형성되는 트렌치를 형성하기 위한 트렌치(trench) 패턴(8)을 형성한다. 그리고, 트렌치 패턴(8)을 마스크로 플라즈마를 이용한 건식 식각에 의해 드러난 배선 절연막(5)을 식각하여 제거함으로써 배선 절연막(5)에 금속 배선이 형성되는 트렌치를 형성시킨다. 이때, 제2 식각 정지막(4)은 층간 절연막(3)의 상부 표면에서 정확히 식각이 끝나고, 층간 절연막(3)의 상부 표면 부위가 식각되는 것을 방지하는 역할을 한다. 이와 같이, 층간 절연막(3)의 상부에 제2 식각 정지막(4)을 증착함으로써 배선 절연막(5)의 식각 시 층간 절연막(3)의 표면으로부터 추가 식각되는 현상을 방지할 수 있다.3, after the contact hole pattern 6 is removed, a trench pattern 8 for forming a trench in which metal wiring is formed is formed on the wiring insulating film 5. The trench insulating film 5 is removed by etching the wiring insulating film 5 exposed by the dry etching using the plasma as a mask to form a trench in which the metal wiring is formed in the wiring insulating film 5. In this case, the second etch stop layer 4 serves to prevent the etching of the upper surface portion of the interlayer insulating layer 3 from being etched exactly on the upper surface of the interlayer insulating layer 3. As such, by depositing the second etch stop layer 4 on the interlayer insulating layer 3, the phenomenon of additional etching from the surface of the interlayer insulating layer 3 when the wiring insulating layer 5 is etched can be prevented.

그 다음 도 4에 도시한 바와 같이, 제2 식각 정지막(4) 표면이 노출되고 배선 절연막(5)의 식각이 완료된 후, 배선 절연막(5) 상부의 트렌치 패턴(8)을 제거한다. 그리고, 층간 절연막(3)의 접촉홀(8)와 배선 절연막(5)의 트렌치 하부에 노출된 제1 식각 정지막(2)과 제2 식각 정지막(4)을 동시에 식각하여 제거한다. 이 때, 제1 식각 정지막(2)과 제2 식각 정지막(4)은 절연막이므로 금속 배선으로부터 하부 박막(1)의 전도층으로 전류를 도통시키고, 원하는 유전 캐패시턴스(dielectric capacitance)를 얻기 위하여 제거하는 것이 바람직하다.Next, as shown in FIG. 4, after the surface of the second etch stop film 4 is exposed and the etching of the wiring insulating film 5 is completed, the trench pattern 8 on the wiring insulating film 5 is removed. The first etch stop film 2 and the second etch stop film 4 exposed in the contact hole 8 of the interlayer insulating film 3 and the lower portion of the trench insulating film 5 are simultaneously etched and removed. At this time, since the first etch stop film 2 and the second etch stop film 4 are insulating films, in order to conduct current from the metal wiring to the conductive layer of the lower thin film 1, and to obtain a desired dielectric capacitance. It is desirable to remove.

그 다음 도 5에 도시한 바와 같이, 금속 박막을 증착하기 이전에 금속 박막과 반도체 기판(1)의 하부 박막의 전도층 사이의 반응을 방지하기 위하여 반도체 기판(1)의 하부 박막 상부 전면에 베리어(barrier) 금속막(9)을 증착한다. 이때, 베리어 금속막(9)은 TaN을 수백 Å의 두께로 증착하여 형성한다. 그리고, 층간 절연막(3)의 접촉홀(7)과 배선 절연막(5)의 트렌치에 스루풋(throughput)과 필링(filling) 능력이 우수한 EPD(electroplating process deposition) 금속 박막을 필링시켜야 한다. 이때, EPD 금속 박막을 성장시키기 위해서는 이온화된 금속 이온을 박막 표면으로 이동시키고 금속 이온에 전자를 원활히 공급하여 금속으로 환원시켜 박막 표면에서 금속 박막이 원활히 성장되도록 하여야 한다. 그런데, 베리어 금속막(9)은 저항력(resistivity)이 크기 때문에 EPD 금속 박막의 증착 공정에서 박막 표면에 원활한 전자 공급을 위하여 베리어 금속막(9) 상부에 CVD(chemical vapor deposition)에 의해 금속 씨드(seed)막(10)을 수백 Å의 두께로 증착시킨다.Then, as shown in FIG. 5, a barrier is formed on the entire upper surface of the lower thin film of the semiconductor substrate 1 to prevent a reaction between the metal thin film and the conductive layer of the lower thin film of the semiconductor substrate 1 before the deposition of the metal thin film. A metal film 9 is deposited. At this time, the barrier metal film 9 is formed by depositing TaN to a thickness of several hundred microwatts. In addition, an EPD (electroplating process deposition) metal thin film having excellent throughput and filling capability must be filled in the contact hole 7 of the interlayer insulating film 3 and the trench of the wiring insulating film 5. At this time, in order to grow the EPD metal thin film, the ionized metal ions must be moved to the surface of the thin film, and electrons are smoothly supplied to the metal to reduce the metal to the metal to smoothly grow on the thin film surface. However, since the barrier metal film 9 has a high resistivity, the metal seed (CVD) is deposited on the barrier metal film 9 by CVD to smoothly supply electrons to the surface of the thin film in the deposition process of the EPD metal thin film. seed film 10 is deposited to a thickness of several hundred microseconds.

그 다음 도 6에 도시한 바와 같이, EPD 공정을 이용하여 층간 절연막(3)의 접촉홀(7)과 배선 절연막(5)의 트렌치에 금속 박막(11)을 필링시킨다. 그리고, CMP(chemical mechanical polishing) 공정에 의해 배선 절연막(5) 상부의 금속 박막(11)과 금속 씨드막(10), 베리어 금속막(9)을 연마하여 제거함으로써 반도체 소 자의 금속 배선을 완성한다. 이러한 금속 배선은 구리 배선인 것이 바람직하다. Next, as shown in FIG. 6, the metal thin film 11 is filled in the trenches of the contact hole 7 and the wiring insulating film 5 of the interlayer insulating film 3 using the EPD process. Then, the metal thin film 11, the metal seed film 10, and the barrier metal film 9 on the wiring insulating film 5 are polished and removed by a chemical mechanical polishing (CMP) process to complete the metal wiring of the semiconductor element. . It is preferable that such metal wiring is copper wiring.

한편, 제1 식각 정지막만이 형성된 싱글 다마신(single damascene) 공정에서도 밀도 및 조성비의 조절이 용이하며 상부 또는 하부의 절연막과의 식각률(etch rate)을 조절할 수 있는 제1 식각 정지막을 형성함으로써 소자의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.Meanwhile, even in the single damascene process in which only the first etch stop layer is formed, the first etch stop layer may be formed to easily control the density and composition ratio, and to control the etch rate with the insulating layer on the upper or lower portion. The electrical characteristics of the device can be improved.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다. Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Accordingly, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concept of the present invention as defined in the following claims also fall within the scope of the present invention.

본 발명에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법은 듀얼 다마신 공정에서 PE-CVD장비를 이용하여 식각 방지막을 형성함으로써 식각 방지막의 밀도 및 조성비를 조절하기가 용이하며 상부 또는 하부의 절연막과의 식각률(etch rate)을 조절할 수 있는 장점이 있다.In the method of forming a metal interconnection of a semiconductor device according to the present invention, it is easy to control the density and composition ratio of the etch stop layer by forming an etch stop layer using a PE-CVD device in a dual damascene process, and the etching rate with the insulating film on the top or the bottom ( There is an advantage that you can adjust the etch rate.

또한, 과식각에 의한 하부 금속 배선과의 단락 현상을 방지 할 수 있고, 박막이 갖는 스트레스는 식각 방지막의 조성비 또는 공정 파라미터(parameter)를 조절함으로써 줄일 수 있다.In addition, it is possible to prevent a short circuit phenomenon with the lower metal wiring due to overetching, and the stress of the thin film can be reduced by adjusting the composition ratio or process parameter of the etch stop layer.

따라서, 후속 금속 배선 공정 시 거품 현상 등이 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 종래에 사용하고 있는 SiN 또는 SiON에 비해 전체 절연막이 갖는 유전 상수(ε; dielectric constant)값을 낮출 수 있어 소자의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다 Therefore, bubbles can be prevented from occurring during the subsequent metal wiring process, and the dielectric constant (ε) of the entire insulating film can be lowered compared to the conventionally used SiN or SiON, thereby reducing the electrical characteristics of the device. Has the advantage of improving

Claims (12)

소정의 하부 구조를 가지는 반도체 기판 위에 제1 식각 정지막, 층간 절연막, 제2 식각 정지막 및 배선 절연막을 적층하는 단계,Stacking a first etch stop film, an interlayer insulating film, a second etch stop film, and a wiring insulating film on a semiconductor substrate having a predetermined substructure; 상기 배선 절연막 위에 접촉홀 패턴을 형성하는 단계,Forming a contact hole pattern on the wiring insulating layer; 상기 접촉홀 패턴을 마스크로 하여 노출된 상기 배선 절연막, 제2 식각 정지막, 층간 절연막을 식각하여 접촉홀을 형성하는 단계,Etching the exposed wiring insulating layer, the second etch stop layer, and the interlayer insulating layer by using the contact hole pattern as a mask to form contact holes; 상기 접촉홀 패턴을 제거한 후, 상기 배선 절연막 위에 트렌치 패턴을 형성하는 단계,Removing the contact hole pattern and forming a trench pattern on the wiring insulating layer; 상기 트렌치 패턴을 마스크로 하여 노출된 상기 배선 절연막을 식각하여 트렌치를 형성하는 단계,Etching the exposed wiring insulating layer using the trench pattern as a mask to form a trench; 상기 트렌치 패턴을 제거한 후, 노출된 상기 제2 식각 정지막과 제1 식각 정지막을 제거하는 단계After removing the trench pattern, removing the exposed second etch stop layer and the first etch stop layer 를 포함하고,Including, 상기 제1 식각 정지막 및 제2 식각 정지막은 5 내지 30 % 의 실리콘이 함유된 산화 질화막인 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.And the first etch stop layer and the second etch stop layer are oxynitride layers containing 5 to 30% of silicon. 제1항에서,In claim 1, 상기 실리콘은 비정질 실리콘 또는 폴리 실리콘 중 어느 하나인 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.And the silicon is either silicon or polysilicon. 제1항에서,In claim 1, 상기 제1 식각 정지막과 층간 절연막을 동일한 챔버에서 형성하고, 제2 식각 정지막과 배선 절연막을 동일한 챔버에서 형성하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.And forming the first etch stop layer and the interlayer insulating layer in the same chamber, and the second etch stop layer and the wiring insulating layer in the same chamber. 제3항에서,In claim 3, 상기 제1 식각 정지막을 형성한 후 진공 상태 없이 층간 절연막을 형성하고, 상기 제2 식각 정지막을 형성한 후 진공 상태 없이 배선 절연막을 형성하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.Forming an interlayer insulating film without forming a vacuum after forming the first etch stop layer, and forming a wiring insulating layer without forming a vacuum after forming the second etch stop layer. 제1항에서,In claim 1, 상기 제1 식각 정지막 및 제2 식각 정지막은 30 % 이상, 70 % 이하의 Si-N인 함유된 산화 질화막인 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.And the first etch stop film and the second etch stop film are contained oxynitride films of Si-N of 30% or more and 70% or less. 제1항에서,In claim 1, 상기 제1 식각 정지막 및 제2 식각 정지막은 13.56 MHz 또는 100 Hz 내지 1 MHz 의 고주파 전원을 사용하여 PECVD 방법으로 형성하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.And forming the first etch stop layer and the second etch stop layer by a PECVD method using a high frequency power source of 13.56 MHz or 100 Hz to 1 MHz. 제6항에서,In claim 6, 상기 PECVD 방법은 0 내지 2 KW 의 플라즈마 발생 전력으로 기판 바이어스를 인가하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.The PECVD method is a method for forming a metal wiring of a semiconductor device to apply a substrate bias with a plasma generation power of 0 to 2 KW. 제7항에서,In claim 7, 상기 PECVD 방법은 0.5 내지 20 torr의 압력 하에서 진행하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.The PECVD method is a metal wire forming method of a semiconductor device that proceeds under a pressure of 0.5 to 20 torr. 제6항에서,In claim 6, 상기 PECVD 방법은 0 내지 500 sccm의 SiH4 ,0 내지 5000 sccm의 N2O , 0 내지 50000 sccm의 N2 를 혼합한 기체를 사용하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.The PECVD method is a metal wiring method for forming a semiconductor device using a substrate a mixture of N 2 O, from 0 to N 2 of 50000 sccm of SiH 4, from 0 to 5000 sccm of 0 to 500 sccm. 제9항에서,In claim 9, 상기 PECVD 방법은 불활성 기체를 첨가하여 희석된 증착용 혼합 기체를 사용하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.The PECVD method is a method of forming a metal wiring of a semiconductor device using a mixed gas for deposition diluted by adding an inert gas. 제10항에서,In claim 10, 상기 불활성 기체는 He, Ne 또는 Ar 중의 어느 하나인 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.And the inert gas is any one of He, Ne, and Ar. 제1항에서,In claim 1, 상기 접촉홀과 트렌치의 내벽 및 상기 하부 구조 위에 베리어 금속막을 증착하고, 상기 베리어 금속막 위에 금속 씨드막을 증착하는 단계,Depositing a barrier metal film on the inner wall of the contact hole and the trench and the lower structure, and depositing a metal seed film on the barrier metal film; 상기 접촉홀과 트렌치에 금속 박막을 증착하는 단계,Depositing a metal thin film in the contact hole and the trench; 화학적 금속적 연마 공정에 의해 상기 배선 절연막 위의 금속 박막, 금속 씨드막 및 베리어 금속막을 제거하는 단계를 더 포함하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.And removing the metal thin film, the metal seed film and the barrier metal film on the wiring insulating film by a chemical metallic polishing process.
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