KR100528449B1 - 화학·기계적 평탄화 및 스핀 에치 공정을 이용한 반도체 소자의 상감형 금속배선 형성방법 - Google Patents

화학·기계적 평탄화 및 스핀 에치 공정을 이용한 반도체 소자의 상감형 금속배선 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히 반도체 소자 제조 공정 중 금속배선 형성 공정에 관한 것이며, 더 자세히는 상감형(damascene type) 금속배선 형성 공정에 관한 것이다. 본 발명은 베리어 금속/배선 금속으로 상감형 금속배선을 형성할 때, 금속 디싱 및 층간절연막 침식을 완화시킬 수 있는 반도체 소자의 금속배선 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명은 상감형 금속배선 형성시 베리어 금속과 배선 금속의 연마 선택비 차에 의해 발생하는 화학·기계적 평탄화(CMP) 공정시의 금속 디싱 및 층간절연막 침식 현상을 완화시키기 위하여, 금속의 평탄화와 베리어 금속의 평탄화에 각각 다른 프로세스 즉, CMP와 스핀 에치를 적용하는 기술이다.

Description

화학·기계적 평탄화 및 스핀 에치 공정을 이용한 반도체 소자의 상감형 금속배선 형성방법{Method for forming damascene type metal wire in semiconductor device using chemical mechanical planarization and spin etch process}
본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히 반도체 소자 제조 공정 중 금속배선 형성 공정에 관한 것이며, 더 자세히는 상감형(damascene type) 금속배선 형성 공정에 관한 것이다.
반도체 소자의 고집적화에 따라 디자인 룰(design rule)의 축소가 가속되고 있으며, 이에 따라 금속배선의 피치(pitch)가 줄어들고 있어 통상적인 금속배선 공정을 적용할 경우에는 고단차비를 가지는 금속배선의 형성시 금속배선의 CD(critical dimension) 균일도(uniformity), 라인 식각 프로파일(line etch profile) 및 포토레지스트의 식각 선택비 등에서 만족할만한 결과를 얻기 힘들게 되었다. 이를 개선하기 위해서는 하드 마스크(hard mask) 등을 사용하여야 하며, 이에 따른 제조비용의 증가와 소자 개발 일정의 지연이라는 문제점이 도출된다.
한편, 상감형 금속배선 공정은 상기의 문제점을 해결할 수 있는 기술로 차세대 초고집적 소자에 적용이 유망하다.
상감형 금속배선 공정은 통상 층간절연막에 라인용 트렌치 및 콘택홀을 형성하고, 베리어 금속(Ti, TiN, Ta, TaN, WNx 등)과 배선 금속(Al, W, Cu 등)을 증착한 후 화학·기계적 평탄화(chemical mechanical planarization, CMP) 기술을 이용하여 층간절연막 상부에 있는 베리어 금속 및 배선 금속을 제거하는 과정을 거치고 있다.
CMP에 사용되는 슬러리(slurry)는 배선 금속과 베리어 금속에 대한 연마비가 동일한 것이 바람직하다. 그러나, 현 반도체 공정에 사용되는 배선 금속 및 베리어 금속에 같은 연마 특성을 나타내는 슬러리는 거의 없는 실정이다. 상용화된 슬러리의 경우, 베리어 금속에 대한 배선 금속의 연마선택비가 보통 3 이상이며, 연마선택비가 클수록 베리어 금속 연마 과정 중에 배선 금속의 디싱(dishing)과 층간절연막 침식(erosion) 현상이 심화된다. 즉, 금속 CMP 공정시 하부 층간절연막이 연마정지막으로 작용하기 때문에 층간절연막이 노출되는 순간부터 연마 속도는 현저히 떨어지게 된다. 이 과정에서 라인용 트렌치 부분에서는 계속 연마가 진행되어 디싱이 발생하게 되고, 금속배선 패턴이 밀집한 영역에서는 이러한 디싱에 의해 층간절연막의 단위 면적당 연마 압력이 증가하기 때문에 금속배선 패턴이 밀집하지 않은 영역에 비해 층간절연막의 연마가 빠르게 진행되는 층간절연막 침식 현상이 발생하게 된다.
CMP 공정시 이러한 금속 디싱과 층간절연막 침식 현상은 패턴 밀도에 크게 의존하기 때문에 CMP 공정후 웨이퍼 전체의 연마 균일도가 국부적으로 크게 차이나 나게 되어 후속 공정에 영향을 주게 된다.
이와 같은 문제점을 완화시키기 위하여 베리어 금속용 슬러리가 개발 중에 있다. 금속 디싱 및 층간절연막 침식 현상을 완화하기 위한 베리어 금속용 슬러리는 배선 금속에 대한 베리어 금속의 연마선택비가 매우 커야하는데 아직 이와 같은 특성을 지닌 슬러리는 개발되지 않았다.
본 발명은 베리어 금속/배선 금속으로 상감형 금속배선을 형성할 때, 금속 디싱 및 층간절연막 침식을 완화시킬 수 있는 반도체 소자의 금속배선 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 반도체 소자의 상감형 금속배선 형성방법에 있어서, 소정의 하부층이 형성된 반도체 기판 상부에 층간절연막을 형성하는 제1 단계; 상기 층간절연막을 선택 식각하여 콘택홀 및 라인용 트렌치를 형성하는 제2 단계; 상기 제2 단계 수행 후, 전체구조 상부에 베리어 금속 및 배선 금속을 형성하여 상기 라인용 트렌치를 매립하는 제3 단계; 화학·기계적 평탄화 공정을 실시하여 상기 베리어 금속이 노출될 정도로 상기 배선 금속을 연마하는 제4 단계; 및 스핀 에치 공정을 실시하여 상기 층간절연막 상의 상기 베리어 금속을 제거하는 제5 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명은 상감형 금속배선 형성시 베리어 금속과 배선 금속의 연마 선택비 차에 의해 발생하는 CMP 공정시의 금속 디싱 및 층간절연막 침식 현상을 완화시키기 위하여, 금속의 평탄화와 베리어 금속의 평탄화에 각각 다른 프로세스 즉, CMP와 스핀 에치를 적용하는 기술이다.
이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.
첨부된 도면 도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 상감형 금속배선 형성 공정을 도시한 것으로, 이하 이를 참조하여 설명한다.
본 실시예에 따른 공정은 다음과 같이 진행한다. 우선, 도 1a에 도시된 바와 같이 소정의 하부층 공정을 마치고 평탄화된 층간절연막(10)을 형성한 상태에서 층간절연막(10)을 선택 식각하여 콘택홀(도시되지 않음) 및 라인용 트렌치를 형성하고, 전체구조 상에 베리어 금속(11)과 배선 금속(12)을 차례로 증착한다.
다음으로, 도 1b에 도시된 바와 같이 금속 CMP 공정을 실시하여 배선 금속(12)을 평탄화한다. 이때, CMP는 배선 금속(12) 대 베리어 금속(11)의 연마선택비가 8:1 이상인 슬러리를 사용하여 베리어 금속(11)이 연마정지막처럼 작용하도록 실시한다.
계속하여, 도 1c에 도시된 바와 같이 배선 금속(12)에 대한 베리어 금속(11)의 식각 선택비가 매우 큰 용액을 사용하여 스핀 에치 방식으로 실시하여 층간절연막(10) 상의 베리어 금속(11)을 제거한다. 이때 사용되는 용액은 층간졀연막에 대해서도 고선택비를 갖는 것이 바람직하다.
이후, 웨이퍼 표면에 잔류하는 잔류물 및 결함 제거 등을 목적으로 CMP 장비에서 버핑(buffing)하거나, 세정을 실시한다.
금속 CMP에 사용되는 상용화된 슬러리는 베리어 금속(Ti, TiN, Ta, TaN, WNx 등)에 대해 배선 금속보다 낮은 연마속도를 나타낸다. 특히, 알루미늄과 구리의 CMP 공정시 베리어 금속에 대한 연마선택비는 8:1 정도로 베리어 금속의 연마속도가 매우 낮다. 비록 금속배선 형성 공정에서 증착되는 베리어 금속의 두께는 수백 Å에 불과하지만 대부분의 금속 디싱과 층간절연막 침식 현상은 베리어 금속 연마 과정 중에 발생한다. 따라서, CMP 공정을 배선 금속의 제거로 한정하게 된다면 베리어 금속과 배선 금속의 큰 연마 선택비 차이에 의한 금속 디싱 및 층간절연막 침식 현상을 일차적으로 크게 줄일 수 있게 된다.
또한, 층간절연막 상의 베리어 금속을 제거하는데 기계적인 힘을 가하지 않고 화학 용액을 사용하는데, 이때, 배선 금속에 대한 베리어 금속의 높은 식각선택비를 갖는 화학 용액을 선정해야 라인용 트렌치 부분에서 배선 금속의 추가적인 디싱이 발생하지 않게 된다. 또한 층간절연막에 대해 고선택비를 갖는 용액을 사용해야만 베리어 금속 제거시 층간절연막의 손상을 방지할 수 있다. 특히 웨이퍼 전체의 균일도를 좋게 하기 위해서 에칭 공정을 스핀 에치 방식으로 진행한다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
전술한 본 발명은 금속의 평탄화와 베리어 금속의 평탄화에 각각 다른 프로세스 즉, CMP와 스핀 에치를 적용함으로써 상감형 금속배선 형성시 베리어 금속과 배선 금속의 연마 선택비 차에 의해 발생하는 CMP 공정시의 금속 디싱 및 층간절연막 침식 현상을 완화시키는 효과가 있으며, 이로 인하여 후속 공정에 대한 공정마진의 확보가 용이할 분 아니라 수율의 증가를 기대할 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 상감형 금속배선 형성 공정도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 층간절연막
11 : 베리어 금속
12 : 배선 금속

Claims (2)

  1. 반도체 소자의 상감형 금속배선 형성방법에 있어서,
    소정의 하부층이 형성된 반도체 기판 상부에 층간절연막을 형성하는 제1 단계;
    상기 층간절연막을 선택 식각하여 콘택홀 및 라인용 트렌치를 형성하는 제2 단계;
    상기 제2 단계 수행 후, 전체구조 상부에 베리어 금속 및 배선 금속을 형성하여 상기 라인용 트렌치를 매립하는 제3 단계;
    화학·기계적 평탄화 공정을 실시하여 상기 베리어 금속이 노출될 정도로 상기 배선 금속을 연마하는 제4 단계; 및
    스핀 에치 공정을 실시하여 상기 층간절연막 상의 상기 베리어 금속을 제거하는 제5 단계
    를 포함하여 이루어진 반도체 소자의 상감형 금속배선 형성방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제4 단계에서,
    상기 화학·기계적 평탄화 공정시 사용된 슬러리의 연마선택비가 8:1(배선 금속:베리어 금속) 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 상감형 금속배선 형성방법.
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