(57)【要約】      （修正有）【課題】埋め込み金属配線の形成時に、イン-サイチュウ(in-situ)で平坦化を行うことができ、層間絶縁膜形成の回数を減らし、製造工程にかかる時間及び費用を減らすことができる半導体素子の製造方法を提供する。【解決手段】半導体基板１００上の第１の層間絶縁膜１０２にコンタクトプラグ１０４を形成する。第１の層間絶縁膜及びコンタクトプラグの上部にエッチング停止膜１０６ａ及びハードマスクパターンを形成する。ハードマスクパターンに沿ってエッチング停止膜をパターニングし、露出された第１の層間絶縁膜及びコンタクトプラグをエッチングしてコンタクトプラグの上部の第１の層間絶縁膜にトレンチを形成する。金属膜を形成後、エッチング停止膜までシリカ研磨剤とセリア研磨剤を混合したスラリーを用いて平坦化を行い、金属配線１１４ａを形成する。エッチング停止膜を除去し、第２の層間絶縁膜１１６を形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合領域が形成された半導体基板と、
前記半導体基板の上部に形成された第１の層間絶縁膜と、
前記接合領域と接し、前記第１の層間絶縁膜内に形成されたコンタクトプラグと、
前記コンタクトプラグの上部の前記第１の層間絶縁膜内に形成され、上部が前記第１の層間絶縁膜の上部よりも高く突出した金属配線と、
前記第１の層間絶縁膜及び前記金属配線の上部に形成された第２の層間絶縁膜と、
を含むことを特徴とする半導体素子の金属配線。
【請求項２】
前記金属配線の間は前記第１の層間絶縁膜及び前記第２の層間絶縁膜で絶縁されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の金属配線。
【請求項３】
前記第１の層間絶縁膜及び前記第２の層間絶縁膜は、ＨＤＰ(high density plasma)膜、ＢＰＳＧ(Boro-Phospho-Silicate-Glass)膜またはＳＯＤ(spin on dielectric)膜で形成されたことを特徴とする請求項２に記載の半導体素子の金属配線。
【請求項４】
第１の層間絶縁膜のコンタクトホール内にコンタクトプラグが形成された半導体基板が提供される段階と、
前記第１の層間絶縁膜及び前記コンタクトプラグの上部にエッチング停止膜及びハードマスクパターンを形成する段階と、
前記ハードマスクパターンに沿って前記エッチング停止膜をパターニングし、露出された前記第１の層間絶縁膜及び前記コンタクトプラグをエッチングして前記コンタクトプラグ上部の前記第１の層間絶縁膜にトレンチを形成する段階と、
前記トレンチの内部が満たされるように金属膜を形成する段階と、
前記エッチング停止膜が示されるように平坦化工程を行う段階と、
を含むことを特徴とする半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項５】
前記平坦化工程は、化学的機械的研磨(chemical mechanical polishing;ＣＭＰ)工程で行うことを特徴とする請求項４に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項６】
前記平坦化工程は、酸性研磨剤(abrasive)及び中性研磨剤(abrasive)を混合したスラリーを用いて行うことを特徴とする請求項４に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項７】
前記酸性研磨剤は、シリカ(silica)研磨剤(abrasive)を用いることを特徴とする請求項６に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項８】
前記中性研磨剤は、セリア（ＣｅＯ２）研磨剤(abrasive)を用いることを特徴とする請求項６に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項９】
前記酸性研磨剤及び前記中性研磨剤は、３：７〜７：３の混合比で混合することを特徴とする請求項６に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１０】
前記第１の層間絶縁膜のコンタクトホール内にコンタクトプラグが形成された半導体基板が提供される段階は、
接合領域が形成された前記半導体基板が提供される段階と、
前記半導体基板上に前記第１の層間絶縁膜を形成する段階と、
前記接合領域が示されるように前記第１の層間絶縁膜に前記コンタクトホールを形成する段階と、
前記コンタクトホールの内部に導電膜を満たして前記コンタクトプラグを形成する段階と、
を含むことを特徴とする請求項４に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１１】
前記エッチング停止膜は、窒化膜で形成することを特徴とする請求項４に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１２】
前記ハードマスクパターンは、非晶質カーボン(amorphous carbon)膜で形成することを特徴とする請求項４に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１３】
前記金属膜は、タングステン（tungsten；Ｗ）で形成することを特徴とする請求項４に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１４】
前記トレンチを形成する段階は、乾式エッチング工程で行うことを特徴とする請求項４に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１５】
前記乾式エッチング工程は、ＣＨ２Ｆ２またはＣＨＦ３ガスをエッチングガスとして行うことを特徴とする請求項１４に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１６】
前記平坦化工程を行う段階後に、
前記トレンチ内に形成された前記金属膜の上部が前記第１の層間絶縁膜の上部に突出するように前記エッチング停止膜を除去する段階と、
前記金属膜及び前記第１の層間絶縁膜の上部に第２の層間絶縁膜を形成する段階と、
をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１７】
前記エッチング停止膜を除去する段階は、湿式エッチング工程で行うことを特徴とする請求項１６に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１８】
前記湿式エッチング工程は、リン酸（Ｈ３ＰＯ４）をエッチング液として行うことを特徴とする請求項１７に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１９】
前記第１の層間絶縁膜及び前記第２の層間絶縁膜は、ＨＤＰ(high density plasma)膜、ＢＰＳＧ(Boro-Phospho-Silicate-Glass)膜またはＳＯＤ(spin on dielectric)膜で形成することを特徴とする請求項１６に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項２０】
半導体基板上に第１の層間絶縁膜を形成する段階と、
前記第１の層間絶縁膜の上部にエッチング停止膜を形成する段階と、
前記エッチング停止膜及び前記第１の層間絶縁膜をエッチングしてトレンチを形成する段階と、
前記トレンチの内部が満たされるように金属膜を形成する段階と、
前記エッチング停止膜が示されるようにシリカ(silica)研磨剤及びセリア（ＣｅＯ２）研磨剤を混合したスラリーを用いて平坦化工程を行う段階と、
前記エッチング停止膜を除去する段階と、
を含むことを特徴とする半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項２１】
前記スラリーは、前記シリカ(silica)研磨剤及び前記セリア（ＣｅＯ２）研磨剤を３：７〜７：３の比率で混合して形成することを特徴とする請求項２０に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項２２】
前記エッチング停止膜は、窒化膜で形成することを特徴とする請求項２０に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項２３】
前記金属膜は、タングステン（tungsten；Ｗ）膜で形成することを特徴とする請求項２０に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項２４】
前記エッチング停止膜を除去する段階後に、
前記金属膜及び前記第１の層間絶縁膜の上部に第２の層間絶縁膜を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の金属配線及びその形成方法に関するものであり、特に、平坦化工程時にスラリーの組合わせを通じて製造工程時間を短縮しながら集積度を向上させることができる半導体素子の金属配線及びその形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子は、下部構造(例えば、接合領域)と上部構造(例えば、金属配線)を電気的に連結するためのコンタクトプラグ(contact plug)を含む。
【０００３】
金属配線を含む半導体素子を具体的に説明すれば、次の通りである。
【０００４】
接合領域が形成された半導体基板の上部に第１の層間絶縁膜を形成し、接合領域が示されるようにコンタクトホールを形成する。コンタクトホールの内部に導電膜を満たしてコンタクトプラグを形成することができる。次いで、コンタクトプラグ及び第１の層間絶縁膜の上部に後続のトレンチ形成工程時にエッチング止め膜用として用いるエッチング停止膜を形成する。エッチング停止膜の上部には後続に形成する金属配線間を電気的に絶縁させるための第２の層間絶縁膜を形成する。第２の層間絶縁膜は、一般に、酸化膜で形成することができる。次いで、第２の層間絶縁膜をエッチングしてエッチング停止膜を露出させ、オーバーエッチング工程を行ってコンタクトプラグを露出させるトレンチを形成する。トレンチの内部に金属膜を満たして金属配線を形成することができる。
【０００５】
特に、金属配線をパターンに沿って短絡させるために、第２の層間絶縁膜が示されるように平坦化工程を行うが、一般に、シリカ(silica)研磨剤(abrasive)用酸性スラリーを用いて行う。この時、研磨対象となる物質により互いに異なるスラリー(slurry)を用いることができる。例えば、タングステン（Ｗ）の金属配線に対する平坦化工程時にはシリカ(silica)研磨剤(abrasive)である酸性スラリーを用いることができる。また、研磨対象膜が多層の場合には、研磨するそれぞれの膜に対してエッチング選択率が高いスラリー(slurry)を用いて平坦化工程を行うことができる。しかし、研磨対象膜によりエックス-サイチュウ(ex-situ)でそれぞれ平坦化工程を実施すれば、製造工程にかかる時間及び費用が増加することがある。または、酸化膜である第２の層間絶縁膜に対するエッチング選択比に優れたスラリーを用いれば、金属配線間の絶縁の役割をする第２の層間絶縁膜の高さが不均一になり得るため、高さ差による後続膜(layer)の形成工程が困難になることがある。
【０００６】
また、金属配線間にエッチング停止膜用窒化膜が残留する場合、窒化膜は、誘電定数値が大きいため、半導体素子の全体的なキャパシタンス(capacitance)が増加することがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、金属配線の形成工程時に、シリカ研磨剤とセリア研磨剤を混合したスラリーを用いてイン-サイチュウ(in-situ)で平坦化工程を行うことができ、層間絶縁膜の形成工程の回数を減少させて製造工程にかかる時間及び費用を減らすことができる半導体素子の金属配線及びその形成方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による半導体素子の金属配線は、接合領域が形成された半導体基板を含む。半導体基板の上部に形成された第１の層間絶縁膜を含む。接合領域と接し、第１の層間絶縁膜内に形成されたコンタクトプラグを含む。コンタクトプラグの上部の第１の層間絶縁膜内に形成され、上部が第１の層間絶縁膜の上部よりも高く突出した金属配線を含む。第１の層間絶縁膜及び金属配線の上部に形成された第２の層間絶縁膜を含む半導体素子の金属配線で構成される。
【０００９】
金属配線の間は、第１の層間絶縁膜及び第２の層間絶縁膜で絶縁され、第１の層間絶縁膜及び第２の層間絶縁膜はＨＤＰ(high density plasma)膜、ＢＰＳＧ(Boro-Phospho-Silicate-Glass)膜またはＳＯＤ(spin on dielectric)膜で形成される。
【００１０】
本発明の一実施例による半導体素子の金属配線形成方法は、第１の層間絶縁膜のコンタクトホール内にコンタクトプラグが形成された半導体基板が提供される。第１の層間絶縁膜及びコンタクトプラグの上部にエッチング停止膜及びハードマスクパターンを形成する。ハードマスクパターンに沿ってエッチング停止膜をパターニングし、露出された第１の層間絶縁膜及びコンタクトプラグをエッチングしてコンタクトプラグの上部の第１の層間絶縁膜にトレンチを形成する。トレンチの内部が満たされるように金属膜を形成する。エッチング停止膜が示されるように平坦化工程を行う段階を含む半導体素子の金属配線形成方法で構成される。
【００１１】
平坦化工程は化学的機械的研磨(chemical mechanical polishing; ＣＭＰ)工程で行い、平坦化工程は酸性研磨剤(abrasive)及び中性研磨剤(abrasive)を混合したスラリーを用いて行う。
【００１２】
酸性研磨剤はシリカ(silica)研磨剤(abrasive)を用い、中性研磨剤はセリア（ＣｅＯ２）研磨剤(abrasive)を用いる。この時、酸性研磨剤及び中性研磨剤は３：７〜７：３の混合比で混合する。
【００１３】
第１の層間絶縁膜のコンタクトホール内にコンタクトプラグが形成された半導体基板が提供される段階は、接合領域が形成された半導体基板が提供される段階、半導体基板上に第１の層間絶縁膜を形成する段階、接合領域が示されるように第１の層間絶縁膜にコンタクトホールを形成する段階、コンタクトホールの内部に導電膜を満たしてコンタクトプラグを形成する段階を含む。
【００１４】
エッチング停止膜は窒化膜で形成し、ハードマスクパターンは非晶質カーボン(amorphous carbon)膜で形成し、金属膜はタングステン（tungsten；Ｗ）で形成する。
【００１５】
トレンチを形成する段階は乾式エッチング工程で行い、乾式エッチング工程はＣＨ２Ｆ２またはＣＨＦ３ガスをエッチングガスとして行う。
【００１６】
平坦化工程を行う段階後に、トレンチ内に形成された金属膜の上部が第１の層間絶縁膜の上部に突出するようにエッチング停止膜を除去する。金属膜及び第１の層間絶縁膜の上部に第２の層間絶縁膜を形成する段階をさらに含む。
【００１７】
エッチング停止膜を除去する段階は湿式エッチング工程で行い、湿式エッチング工程はリン酸（Ｈ３ＰＯ４）をエッチング液として行う。
【００１８】
第１の層間絶縁膜及び第２の層間絶縁膜は、ＨＤＰ(high density plasma)膜、ＢＰＳＧ(Boro-Phospho-Silicate-Glass)膜またはＳＯＤ(spin on dielectric)膜で形成する。
【００１９】
本発明の他の実施例による半導体素子の金属配線は、半導体基板上に第１の層間絶縁膜を形成する。第１の層間絶縁膜の上部にエッチング停止膜を形成する。エッチング停止膜及び第１の層間絶縁膜をエッチングしてトレンチを形成する。トレンチの内部が満たされるように金属膜を形成する。エッチング停止膜が示されるようにシリカ(silica)研磨剤及びセリア（ＣｅＯ２）研磨剤を混合したスラリーを用いて平坦化工程を行う。エッチング停止膜を除去する段階を含む半導体素子の金属配線形成方法で構成される。
【００２０】
スラリーは、シリカ(silica)研磨剤及びセリア（ＣｅＯ２）研磨剤を３：７〜７：３の比率で混合して形成する。
【００２１】
エッチング停止膜は窒化膜で形成し、金属膜はタングステン（tungsten；Ｗ）膜で形成する。
【００２２】
エッチング停止膜を除去する段階後に、金属膜及び第１の層間絶縁膜の上部に第２の層間絶縁膜を形成する段階をさらに含む。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、金属配線の形成工程時に、シリカ研磨剤とセリア研磨剤を混合したスラリーを用いてイン-サイチュウ(in-situ)で平坦化工程を行うことができ、層間絶縁膜の形成工程の回数を減少させることができるため、半導体素子の製造時間及び費用を減少させることができる。また、層間絶縁膜の厚さを下げることができるため、半導体素子の集積度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、添付した図面を参照し、本発明の好ましい実施例を説明する。しかし、本発明は、以下に開示される実施例により限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で具現されることができ、単に本実施例は本発明の開示が完全であるようにして通常の知識を有する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る。
【００２５】
図１及び図２は、本発明の半導体素子の金属配線及びその製造方法を説明するための断面図である。
【００２６】
図１（ａ）を参照すれば、接合領域100aが形成された半導体基板100が提供される。接合領域100aは、半導体基板100中、コンタクトプラグ104が形成される領域に形成する。接合領域100aを含む半導体基板100上に第１の層間絶縁膜102を形成する。第１の層間絶縁膜102は、ＨＤＰ(high density plasma)膜、ＢＰＳＧ(Boro-Phospho-Silicate-Glass)膜またはＳＯＤ(spin on dielectric)膜で形成することができる。この時、第１の層間絶縁膜102は、後続に形成する金属配線の高さを考慮して厚く形成する。例えば、第１の層間絶縁膜102は１００Å〜１０００Åの厚さで形成することができる。
【００２７】
次いで、接合領域100aが示されるように第１の層間絶縁膜102にエッチング工程を行って該第１の層間絶縁膜102内にコンタクトホール（contact hole）103を形成する。コンタクトホール103を形成した後に接合領域100aにイオン注入工程を追加で行って接合領域100aの電気的特性を向上させることができる。コンタクトホール103の内部に導電物質を満たしてコンタクトプラグ104を形成する。
【００２８】
図１（ｂ）を参照すれば、第１の層間絶縁膜102及びコンタクトプラグ104の上部にエッチング停止膜106を形成し、エッチング停止膜106の上部に酸化膜の代わりにハードマスクパターンとなるハードマスク膜108を形成する。次いで、ハードマスク膜108の上部に反射防止膜110及び金属配線パターニング用フォトレジストパターン112を順に形成する。エッチング停止膜106は、後続の平坦化工程時に停止膜として用いられ、エッチング液(例えば、リン酸)により除去が容易な窒化膜で形成することが好ましい。この時、エッチング停止膜106は１００Å〜５００Åの厚さで形成することができる。ハードマスク膜108は、非晶質カーボン(amorphous carbon)膜で形成することができる。反射防止膜110は、ＳｉＯＮ膜で形成することができる。
【００２９】
図１（ｃ）を参照すれば、フォトレジストパターン(図１（ｂ）の112)によりエッチング工程を行って反射防止膜(図１（ｂ）の110)、ハードマスク膜(図１（ｂ）の108)をパターニングする。次いで、パターニングされたハードマスク膜(図１（ｂ）の108)によりエッチング停止膜(図１（ｂ）の106)をパターニングしてエッチング停止パターン106aを形成する。パターニングされたハードマスク膜(図１（ｂ）の108)及びエッチング停止パターン106aに沿って露出された第１の層間絶縁膜102及びコンタクトプラグ104の一部を除去するためのエッチング工程を行って該コンタクトプラグ104上部の第１の層間絶縁膜102にトレンチTCを形成する。この時、エッチング工程は、第１の層間絶縁膜102とコンタクトプラグ104のエッチング選択比が同一な条件で行うことが好ましい。例えば、エッチング工程は、乾式エッチング工程で、ＣＨ２Ｆ２またはＣＨＦ３ガスをエッチングガスとして用いることができる。特に、ナンドフラッシュ素子(ＮＡＮＤ Flash device)では‘Ｍ１’と呼ばれる金属配線(例えば、ドレインコンタクトプラグの上部と接する金属配線)の場合、厚さが１０００Åよりも薄いため、コンタクトホールを形成するエッチング工程時にエッチング停止膜なしに１つの条件でエッチング工程を行っても半導体素子高さの均一化に影響を与えない。
【００３０】
図１（ｄ）を参照すれば、トレンチTCの内部に金属膜114を満たす。望ましくは、トレンチTCの内部を十分に満たすためにエッチング停止パターン106aの上部が完全に覆われるように金属膜114を形成する。具体的には、金属膜114はタングステン（tungsten；Ｗ）で形成することができる。例えば、金属膜114は、チャンバに２７０℃〜５００℃の温度を加えながらＷＦ６ガスを注入して形成することができる。
【００３１】
図２（ａ）を参照すれば、エッチング停止パターン106aが示されるように平坦化工程を行う。特に、平坦化工程は、化学的機械的研磨(chemical mechanical polishing; ＣＭＰ)工程で行うことができる。この時、化学的機械的研磨(ＣＭＰ)工程は、エッチング停止パターン106aよりも金属膜(図１（ｄ）の114)に対するエッチング選択比が高い条件で行うことが好ましい。このため、平坦化工程は、シリカ(silica)研磨剤(abrasive)とセリア（ＣｅＯ２）研磨剤(abrasive)を混合したスラリー(slurry)を用いることが好ましい。具体的に説明すれば、酸性であるシリカ研磨剤はタングステン（Ｗ）を除去するのに容易である。中性であるセリア研磨剤は、酸化膜を選択的に除去するのに容易であり、窒化膜はほぼ除去できない。これにより、シリカ研磨剤とセリア研磨剤を混合した弱酸性のスラリー(slurry)を用いれば、イン-サイチュウ(in-situ)で金属膜(図１（ｄ）の114)は容易に除去しながらエッチング停止パターン106aが示されれば、平坦化工程を止めることができる。この時、シリカ研磨剤及びセリア研磨剤はそれらの混合比が３：７〜７：３の比率で混合することができ、中性研磨剤と酸性研磨剤を混合するため、弱酸性のスラリーが形成される。これにより、平坦化工程時間を調節するのが容易になり得、それぞれのトレンチTC内に形成された金属配線114aの高さ差を減少させることができる。
【００３２】
図２（ｂ）を参照すれば、エッチング停止パターン(図２（ａ）の106a)を除去するためのエッチング工程を行う。エッチング工程は、湿式エッチング工程で行うことが好ましい。具体的に説明すれば、湿式エッチング工程は、リン酸（Ｈ３ＰＯ４）をエッチング液として用いて行うことができる。これにより、エッチング停止パターン(図２（ａ）の106a)を選択的に除去することができ、第１の層間絶縁膜102の上部に突出した金属配線114aが露出される。即ち、金属配線114aはコンタクトプラグ104の上部の第１の層間絶縁膜102内に形成され、その上部が該第１の層間絶縁膜102の上部よりも高く突出される。
【００３３】
図２（ａ）を参照すれば、金属配線114a及び第１の層間絶縁膜102の上部に金属配線114a間を電気的に絶縁させるために、第２の層間絶縁膜116を形成する。第２の層間絶縁膜116は、ＨＤＰ(high density plasma)膜、ＢＰＳＧ(Boro-Phospho-Silicate-Glass)膜またはＳＯＤ(spin on dielectric)膜で形成することができる。
【００３４】
上述した通り、金属配線114aの間に酸化膜よりも誘電率が高い窒化膜がないため、金属配線114a間のキャパシタンス(capacitance)を下げることができる。これにより、半導体素子の動作時に時間遅延(RC delay)を抑制することができ、隣接する金属配線114aの間の干渉現象を防止することができるため、半導体素子の信頼性を向上させることができる。また、コンタクトプラグ104の高さを下げ、エッチング停止膜を除去することにより半導体素子の高さを下げることができるため、集積度を向上させることができる。
【００３５】
上記で説明した本発明の技術的思想は、好ましい実施例で具体的に記述されたが、上記実施例は、その説明のためのものであり、その制限のためのものではないことに注意しなければならない。また、本発明は、本発明の技術分野の通常の専門家であれば、本発明の技術的思想の範囲内で多様な実施例が可能であることを理解することができるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の活用例として、半導体素子の金属配線及びその形成方法に適用出来、特に、平坦化工程時にスラリーの組合わせを通じて製造工程時間を短縮しながら集積度を向上させることができる半導体素子の金属配線及びその形成方法に適用出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の半導体素子の金属配線を説明するための断面図である。
【図２】本発明の半導体素子の金属配線を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
100…半導体基板
100a…接合領域
102…第１の層間絶縁膜
104…コンタクトプラグ
106…エッチング停止膜
108…ハードマスク膜
110…反射防止膜   
112…フォトレジストパターン
114…金属膜
114a…金属配線
116…第２の層間絶縁膜
【図１】
2009253265.tif 000003
【図２】
2009253265.tif 000004