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KR20030026544A - Structure of contact plug and method of forming the same - Google Patents

Structure of contact plug and method of forming the same Download PDF

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Publication number
KR20030026544A
KR20030026544A KR1020010059583A KR20010059583A KR20030026544A KR 20030026544 A KR20030026544 A KR 20030026544A KR 1020010059583 A KR1020010059583 A KR 1020010059583A KR 20010059583 A KR20010059583 A KR 20010059583A KR 20030026544 A KR20030026544 A KR 20030026544A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
diffusion barrier
pattern
layer
forming
contact hole
Prior art date
Application number
KR1020010059583A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
문광진
이명범
최길현
박희숙
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
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Abstract

PURPOSE: A structure of a contact plug and method of forming the same are provided to prevent the generation of scratches on a contact plug by forming the width of a plug conductive layer pattern less than the width of a metal line. CONSTITUTION: An interlayer dielectric(110) including a contact hole(120) is formed on a semiconductor substrate(100). An inner wall and a bottom face of the contact hole(120) are covered with an adhesive pattern(135) and a diffusion barrier pattern(145). A gap region of the contact hole(120) is filled with a plug conductive layer pattern(155). A contact plug(160) is formed with the adhesive pattern(135), the diffusion barrier pattern(145), and the plug conductive layer pattern(155). A metal line(170) is formed on the interlayer dielectric(110). An ohmic contact layer(132) is formed by reacting the adhesive pattern(135) with silicon.

Description

콘택 플러그 구조체 및 그 형성 방법{Structure Of Contact Plug And Method Of Forming The Same}Contact plug structure and method of forming the same {Structure Of Contact Plug And Method Of Forming The Same}

본 발명은 반도체 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 콘택 플러그 구조체 및 그 형성 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a contact plug structure and a method for forming the same.

반도체 장치의 고집적화에 따라, 비트 라인과 같은 금속 배선의 폭 역시 줄어드는 추세이다. 하지만, 상기 금속 배선과 게이트 전극 및 소오스/드레인을 연결하는 통로인 콘택 플러그의 폭은 공정 기술상 줄이기 어렵다. 이에 더하여, 콘택 플러그의 폭이 감소할 경우 콘택 저항이 증가하는 문제가 있다. 이에 따라, 상기금속 배선의 폭보다 상기 콘택 플러그의 폭이 더 넓어지는 현상이 발생한다.As semiconductor devices become more integrated, the width of metal wiring such as bit lines is also decreasing. However, the width of the contact plug, which is a passage connecting the metal wiring, the gate electrode, and the source / drain, is difficult to reduce in terms of process technology. In addition, there is a problem that the contact resistance increases when the width of the contact plug decreases. Accordingly, a phenomenon in which the width of the contact plug is wider than the width of the metal wiring occurs.

도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 콘택 플러그 구조체의 형성 방법 및 그에 따른 문제점을 설명하기 위한 공정단면도들이다.1 and 2 are cross-sectional views illustrating a method of forming a contact plug structure according to the related art and a problem thereof.

도 1을 참조하면, 반도체기판(10) 상에 층간절연막(20)을 형성한다. 상기 층간절연막(20)을 관통하는 콘택홀(30)을 형성한다. 상기 콘택홀(30)이 형성된 반도체기판 전면에 확산방지막(50) 및 플러그 도전막(60)을 형성한다.Referring to FIG. 1, an interlayer insulating film 20 is formed on a semiconductor substrate 10. A contact hole 30 penetrating the interlayer insulating film 20 is formed. The diffusion barrier 50 and the plug conductive layer 60 are formed on the entire surface of the semiconductor substrate on which the contact hole 30 is formed.

통상적인 경우, 상기 확산방지막(50) 및 플러그 도전막(60)은 각각 TiN 및 W으로 형성된다. 또한, 상기 콘택홀(30)이 소오스/드레인 상에 형성되는 경우와 같이 상기 반도체기판(10)을 노출시키는 경우, 상기 확산방지막(50)과 상기 반도체기판(10) 사이에는 오믹 접촉층(Ohmic contact layer, 40)을 더 형성하는 것이 바람직하다.In the conventional case, the diffusion barrier 50 and the plug conductive layer 60 are formed of TiN and W, respectively. In addition, when the semiconductor substrate 10 is exposed, such as when the contact hole 30 is formed on a source / drain, an ohmic contact layer is formed between the diffusion barrier 50 and the semiconductor substrate 10. It is preferable to further form a contact layer 40).

도 2를 참조하면, 상기 층간절연막(20)의 상부면이 노출될 때까지 상기 플러그 도전막(60) 및 상기 확산방지막(50)을 전면식각하여, 상기 콘택홀(30)을 차례로 채우는 확산방지막 패턴(55) 및 플러그 도전막 패턴(65)을 형성한다. 상기 플러그 도전막 패턴(65) 및 상기 확산방지막 패턴(55)을 포함하는 반도체기판 전면에 상부 금속막(도시하지 않음)을 형성한다. 상기 상부 금속막을 패터닝하여, 상기 플러그 도전막 패턴(65)에 접속하는 금속 배선(70)을 형성한다.Referring to FIG. 2, the diffusion barrier layer sequentially fills the contact hole 30 by etching the plug conductive layer 60 and the diffusion barrier layer 50 until the upper surface of the interlayer insulating layer 20 is exposed. The pattern 55 and the plug conductive film pattern 65 are formed. An upper metal layer (not shown) is formed on an entire surface of the semiconductor substrate including the plug conductive layer pattern 65 and the diffusion barrier layer pattern 55. The upper metal film is patterned to form a metal wiring 70 connected to the plug conductive film pattern 65.

상기 금속 배선(70)은 상기 플러그 도전막 패턴(65)과 동일한 물질막으로 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 금속 배선(70) 형성을 위한 상기 상부 금속막의 패터닝 공정은 상기 층간절연막(20) 및 상기 확산방지막 패턴(55)에 대해 식각선택비를 갖는 식각 레서피로 실시되는 것이 바람직하다. 하지만, 서로 인접한 금속 배선(70) 사이의 브릿지(bridge)를 예방하기 위해서는, 상기 금속 배선(70) 형성을 위한 상기 상부 금속막 패터닝 공정을 과도식각의 방법으로 실시하는 것이 바람직하다.The metal wiring 70 may be formed of the same material film as the plug conductive film pattern 65. In this case, the patterning process of the upper metal film for forming the metal wiring 70 is preferably performed by an etching recipe having an etch selectivity with respect to the interlayer insulating film 20 and the diffusion barrier pattern 55. However, in order to prevent bridges between the metal lines 70 adjacent to each other, the upper metal layer patterning process for forming the metal lines 70 may be performed by a method of overetching.

그러나, 앞서 설명한 것처럼, 반도체 장치의 고집적화에 따라 상기 금속 배선(70)보다 상기 플러그 도전막 패턴(65)의 폭이 더 넓어지는 현상이 발생할 경우, 상기 금속 배선(70) 형성을 위한 식각 공정에서 상기 플러그 도전막 패턴(65)의 상부면이 노출될 수도 있다. 이러한 플러그 도전막 패턴(65)의 상부면이 노출되는 현상은 상기 플러그 도전막 패턴(65)와 상기 금속 배선(70)의 폭이 동일한 경우에도 상기 금속 배선(70) 형성을 위한 사진공정에서 오정렬이 발생하면 발생할 수 있다.However, as described above, when a phenomenon in which the width of the plug conductive layer pattern 65 is wider than the metal line 70 occurs due to high integration of the semiconductor device, in the etching process for forming the metal line 70. An upper surface of the plug conductive layer pattern 65 may be exposed. The phenomenon that the upper surface of the plug conductive layer pattern 65 is exposed is misaligned in the photo process for forming the metal line 70 even when the plug conductive layer pattern 65 and the metal line 70 have the same width. This can happen when it occurs.

하지만, 상기와 같이 플러그 도전막 패턴(65)의 상부면이 노출될 경우 상기 과도식각의 단계로 인해 상기 플러그 도전막 패턴(65)에 깊은 홈(80)이 형성되는 문제가 발생한다.However, when the upper surface of the plug conductive layer pattern 65 is exposed as described above, a deep groove 80 may be formed in the plug conductive layer pattern 65 due to the transient etching.

이러한 문제를 해결하기 위해, 상기 플러그 도전막 패턴(65)을 사용하지 않고 상기 확산방지막 패턴(55)으로만 상기 콘택홀(30)을 채우는 방법이 제안되었다. 이 방법은 상기 확산방지막 패턴(65)과 상기 금속 배선(70) 사이의 식각 선택비를 이용함으로써, 상기 과도식각에 따른 홈(80) 발생의 문제를 방지하는 장점이 있다. 하지만, 상기 확산방지막 패턴(65)으로 사용되는 TiN 막은 큰 장력(stress)을 갖는 물질이기 때문에, 상기 확산방지막 패턴(65) 자체의 크랙(Crack) 및 이에 따른 상기 층간절연막(20)의 크랙을 발생시키는 문제를 갖는다.In order to solve this problem, a method of filling the contact hole 30 only with the diffusion barrier pattern 55 without using the plug conductive layer pattern 65 has been proposed. This method has an advantage of preventing the problem of the generation of the grooves 80 due to the transient etching by using an etching selectivity between the diffusion barrier pattern 65 and the metal wiring 70. However, since the TiN film used as the diffusion barrier pattern 65 is a material having a large stress, cracks of the diffusion barrier pattern 65 itself and thus cracks of the interlayer insulating layer 20 are prevented. Have problems that arise.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 콘택 플러그에 홈 및 크랙 발생을 예방하는 콘택 플러그 구조체를 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a contact plug structure for preventing the occurrence of grooves and cracks in the contact plug.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 콘택 플러그에 홈 및 크랙이 발생하는 문제를 예방하는 콘택 플러그 구조체의 형성 방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a method of forming a contact plug structure that prevents a problem of generating grooves and cracks in a contact plug.

도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 콘택 플러그 구조체 형성 방법을 나타내는 공정단면도들이다.1 and 2 are process cross-sectional views illustrating a method for forming a contact plug structure according to the related art.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 콘택 플러그 구조체를 나타내는 사시도이다.3 is a perspective view showing a contact plug structure according to a preferred embodiment of the present invention.

도 4 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 콘택 플러그 구조체의 형성 방법을 나타내는 공정단면도들이다.4 through 8 are process cross-sectional views illustrating a method of forming a contact plug structure according to an exemplary embodiment of the present invention.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 금속 배선보다 좁은 폭을 갖는 플러그 도전막 패턴이 포함된 콘택 플러그 구조체를 제공한다. 이 구조체는 반도체기판 상에 형성된 층간절연막 및 상기 층간절연막을 관통하는 콘택홀을 포함한다. 상기 콘택홀의 내벽 및 하부면은 확산방지막 패턴으로 덮이고, 상기 층간절연막 상에는 상기 확산방지막 패턴과 접속하는 금속 배선이 배치된다. 이때, 상기 금속 배선은 상기 확산방지막 패턴으로 둘러싸인 영역을 덮는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a contact plug structure including a plug conductive layer pattern having a narrower width than a metal wiring. The structure includes an interlayer insulating film formed on a semiconductor substrate and a contact hole penetrating through the interlayer insulating film. The inner wall and the lower surface of the contact hole are covered with a diffusion barrier pattern, and metal wirings connected to the diffusion barrier pattern are disposed on the interlayer insulating layer. In this case, the metal line may cover an area surrounded by the diffusion barrier layer pattern.

상기 확산방지막 패턴으로 둘러싸인 영역은 플러그 도전막 패턴으로 채워질 수도 있다. 또는, 상기 확산방지막 패턴 및 상기 금속 배선 사이는 공극(void) 상태일 수도 있다. 또한, 상기 확산방지막 패턴의 하부에는 오믹 접촉층(Ohmic contact layer)이 더 배치될 수도 있다.The region surrounded by the diffusion barrier layer pattern may be filled with a plug conductive layer pattern. Alternatively, a void may be formed between the diffusion barrier pattern and the metal wire. In addition, an ohmic contact layer may be further disposed below the diffusion barrier pattern.

상기 확산 방지막 패턴은 상기 금속 배선에 대해 식각 선택비를 갖는 물질이며, 바람직하게는 적어도 TiN, TaN 및 W 중의 한가지이다. 또한, 상기 콘택홀의 측벽을 덮는 상기 확산방지막 패턴의 두께는 적어도 상기 콘택홀의 폭에서 상기 금속 배선의 폭을 뺀 길이의 절반보다 두껍다.The diffusion barrier layer pattern is a material having an etch selectivity with respect to the metal wiring, and preferably at least one of TiN, TaN, and W. In addition, the thickness of the diffusion barrier layer covering the sidewall of the contact hole is thicker than at least half the length of the contact hole minus the width of the metal wiring.

상기한 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 플러그 도전막 패턴이 금속 배선보다 좁은 폭을 갖도록 하는 콘택 플러그 구조체 형성 방법을 제공한다. 이 방법은 반도체 기판상에 층간절연막을 형성하고, 상기 층간절연막을 관통하는 콘택홀을 형성한 후, 상기 콘택홀을 포함하는 반도체기판 전면을 콘포말하게 덮는 확산방지막을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 확산방지막을 전면식각하여 상기 층간절연막을 노출시킴으로써, 확산방지막 패턴을 형성한다. 이후, 상기 층간절연막 상에 상기 확산방지막 패턴과 접속하는 금속 배선을 형성한다. 이때, 상기 금속 배선은 상기 확산방지막 패턴으로 둘러싸인 영역을 덮는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a method for forming a contact plug structure in which a plug conductive layer pattern has a narrower width than a metal wiring. The method includes forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate, forming a contact hole penetrating the interlayer insulating film, and then forming a diffusion barrier film conformally covering the entire surface of the semiconductor substrate including the contact hole. The diffusion barrier is etched entirely to expose the interlayer dielectric, thereby forming a diffusion barrier pattern. Subsequently, a metal wiring connected to the diffusion barrier pattern is formed on the interlayer insulating film. In this case, the metal line may cover an area surrounded by the diffusion barrier layer pattern.

상기 확산방지막 패턴을 형성하는 단계는 상기 확산방지막으로 덮여진 상기 콘택홀을 채우는 플러그 도전막을 형성한 후, 상기 층간절연막이 노출될 때까지 상기 플러그 도전막 및 상기 확산방지막을 차례로 전면식각하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 전면 식각 공정에 의해 플러그 도전막 패턴 및 확산방지막 패턴이 형성된다.The forming of the diffusion barrier layer pattern may include forming a plug conductive layer filling the contact hole covered with the diffusion barrier layer, and then sequentially etching the plug conductive layer and the diffusion barrier layer sequentially until the interlayer dielectric layer is exposed. It is preferable to include. The plug conductive layer pattern and the diffusion barrier layer pattern are formed by the entire surface etching process.

상기 확산방지막은 상기 금속 배선에 대해 식각 선택비를 갖는 물질막으로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 확산방지막의 하부에는 오믹접촉층을 더 형성하는 것이 바람직하다. 상기 확산방지막의 두께는 적어도 상기 콘택홀의 폭에서 상기 금속 배선의 폭을 뺀 길이의 절반보다 두껍게 형성하는 것이 바람직하다.The diffusion barrier layer is preferably formed of a material layer having an etching selectivity with respect to the metal line. In addition, it is preferable to further form an ohmic contact layer under the diffusion barrier. The thickness of the diffusion barrier layer is preferably formed to be thicker than at least half the length of the contact hole minus the width of the metal wiring.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 또한 층이 다른 층 또는 기판 상에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed contents can be thorough and complete, and the spirit of the present invention to those skilled in the art will fully convey. In the drawings, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity. If it is also mentioned that the layer is on another layer or substrate it may be formed directly on the other layer or substrate or a third layer may be interposed therebetween.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 콘택 플러그 구조체를 나타내는 사시도이다.3 is a perspective view showing a contact plug structure according to a preferred embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 반도체기판(100) 상에 층간절연막(110)이 배치된다. 상기 층간절연막(110)은 그 내부를 수직으로 관통하는 콘택홀(120)을 포함한다. 상기 층간절연막(110)은 실리콘 산화막으로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 층간절연막(110)과 상기 반도체기판(100) 사이에는 하부도전 패턴(도시하지 않음)이 개재될 수도 있다. 이러한 하부도전 패턴은 게이트 패턴 또는 비트라인일 수 있고, 이 경우 상기 콘택홀(120)은 각각 게이트 콘택홀 또는 비아홀(VIA Hole)을 구성하게 된다. 상기 비아홀은 서로 다른 층간절연막 상에 배치된 도전성 배선을 상하로 연결하는 통로이다.Referring to FIG. 3, an interlayer insulating film 110 is disposed on a semiconductor substrate 100. The interlayer insulating layer 110 includes a contact hole 120 vertically penetrating through the interlayer insulating layer 110. The interlayer insulating film 110 is preferably formed of a silicon oxide film. In addition, a lower conductive pattern (not shown) may be interposed between the interlayer insulating layer 110 and the semiconductor substrate 100. The lower conductive pattern may be a gate pattern or a bit line, and in this case, the contact hole 120 constitutes a gate contact hole or a via hole, respectively. The via hole is a passage that vertically connects conductive wires disposed on different interlayer insulating films.

상기 콘택홀(120)의 내벽 및 하부면은 차례로 접착 패턴(135) 및 확산방지막 패턴(145)으로 덮인다. 또한, 상기 확산방지막 패턴(145)이 형성된 콘택홀(120)의 갭영역은 플러그 도전막 패턴(155)으로 채워진다. 상기 접착 패턴(135), 상기 확산방지막 패턴(145) 및 상기 플러그 도전막 패턴(155)은 콘택 플러그(160)를 구성한다. 상기 층간절연막(110) 상에는 상기 플러그 도전막 패턴(155)에 접속하는 금속배선(170)이 지난다. 상기 금속 배선(170)은 상기 플러그 도전막 패턴(155)의 상부면이 노출되지 않는 폭을 갖는다. 이를 위해, 상기 콘택홀(120)의 측벽을 덮는 상기 확산방지막 패턴(145)의 두께는 적어도 상기 콘택홀(120)의 폭에서 상기 금속 배선(170)의 폭을 뺀 길이의 절반보다 두껍다.The inner wall and the lower surface of the contact hole 120 are sequentially covered with an adhesive pattern 135 and a diffusion barrier pattern 145. In addition, the gap region of the contact hole 120 in which the diffusion barrier layer pattern 145 is formed is filled with the plug conductive layer pattern 155. The adhesive pattern 135, the diffusion barrier pattern 145, and the plug conductive layer pattern 155 constitute a contact plug 160. The metal wiring 170 connected to the plug conductive layer pattern 155 passes on the interlayer insulating layer 110. The metal wire 170 has a width such that an upper surface of the plug conductive layer pattern 155 is not exposed. To this end, the thickness of the diffusion barrier layer pattern 145 covering the sidewalls of the contact hole 120 is greater than at least half the length of the contact hole 120 minus the width of the metal wire 170.

상기 금속 배선(170) 및 상기 플러그 도전막 패턴(155)은 Al, W, TiN 및 Cu 중의 한가지인 것이 바람직하다. 또한, 상기 확산방지막 패턴(145)은 TiN, TaN 및 W 중의 한가지로 형성하는 것이 바람직한데, 적어도 상기 금속배선(170)에 대해서는 식각 선택비를 갖는 물질막으로 형성해야 한다.The metal wire 170 and the plug conductive layer pattern 155 may be one of Al, W, TiN, and Cu. In addition, the diffusion barrier layer pattern 145 is preferably formed of one of TiN, TaN, and W. At least the metal interconnection 170 should be formed of a material layer having an etching selectivity.

또한, 상기 콘택홀(120)의 하부면에 노출된 물질이 반도체기판과 같이 실리콘인 경우, 상기 접착 패턴(135)은 상기 실리콘과 반응하여 실리사이드화된 오믹 접촉층(132)을 형성할 수도 있다. 이 경우, 상기 오믹접촉층(132)은 Ti, TiSi2및 CoSi2중의 적어도 한가지인 것이 바람직하다. 또한, 상기 확산방지막 패턴(145)으로 둘러싸인 콘택홀(120) 내의 갭영역은 상기 플러그 도전막 패턴(155)으로 채워지지 않고 공극 상태인 채로 남겨질 수 있다. 즉, 상기 금속 배선(170)은 상기 확산방지막 패턴(145)으로 둘러싸인 갭영역을 덮으면서 상기 층간절연막(110) 상에 배치된다. 이때, 상기 갭영역을 상기 확산방지막 패턴(145)으로 완전히 채우지 않음으로 인해, 종래 기술에서 설명한 스트레스로 인한 크랙 발생을 최소화할 수 있다.In addition, when the material exposed on the bottom surface of the contact hole 120 is silicon, such as a semiconductor substrate, the adhesive pattern 135 may react with the silicon to form a silicided ohmic contact layer 132. . In this case, the ohmic contact layer 132 is preferably at least one of Ti, TiSi 2 and CoSi 2 . In addition, the gap region in the contact hole 120 surrounded by the diffusion barrier layer pattern 145 may be left as a void without being filled with the plug conductive layer pattern 155. That is, the metal wire 170 is disposed on the interlayer insulating film 110 while covering the gap region surrounded by the diffusion barrier film pattern 145. In this case, since the gap region is not completely filled with the diffusion barrier pattern 145, crack generation due to the stress described in the related art may be minimized.

도 4 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 콘택 플러그 구조체의 형성 방법을 나타내는 공정단면도들이다.4 through 8 are process cross-sectional views illustrating a method of forming a contact plug structure according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 반도체기판(100) 상에 층간절연막(110)을 형성한다. 상기 층간절연막(110)은 실리콘 산화막으로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 층간절연막(110)을 형성하기 전에, 상기 반도체기판(100) 상에 하부 도전 패턴(도시하지 않음)을 더 형성할 수도 있다. 상기 하부도전 패턴은 게이트 패턴 또는 비트 라인 등일 수 있다.Referring to FIG. 4, an interlayer insulating film 110 is formed on the semiconductor substrate 100. The interlayer insulating film 110 may be formed of a silicon oxide film. Before forming the interlayer insulating layer 110, a lower conductive pattern (not shown) may be further formed on the semiconductor substrate 100. The lower conductive pattern may be a gate pattern or a bit line.

또한, 상기 하부 도전 패턴을 포함하는 반도체기판(100) 상에 상기 층간절연막(110)을 형성할 경우, 상기 층간절연막(110)을 평탄화하는 공정이 더 실시될 수도 있다. 상기 층간절연막(110)을 평탄화하는 공정은 화학기계적 연마법(chemical mechanical polishing, CMP)을 사용하여 실시하는 것이 바람직하다.In addition, when the interlayer insulating layer 110 is formed on the semiconductor substrate 100 including the lower conductive pattern, a process of planarizing the interlayer insulating layer 110 may be further performed. The planarization of the interlayer insulating film 110 may be performed by using chemical mechanical polishing (CMP).

이후, 상기 층간절연막(110) 상에 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 이를 식각 마스크로 사용한 이방성 식각 공정을 실시함으로써, 상기 층간절연막(110)을 관통하는 콘택홀(120)을 형성한다. 이후 상기 포토레지스트 패턴은 제거한다. 이때, 상기 콘택홀(120)은 상기 반도체기판(100)의 소정영역, 예를 들면 소오스/드레인을 노출시키도록 형성하는 것이 바람직하다. 하지만, 상기 하부 도전 패턴이 형성된 경우에는 상기 콘택홀(120)은 게이트 콘택홀 또는 비아홀을 구성할 수도 있다.Thereafter, after forming a photoresist pattern on the interlayer insulating layer 110, an anisotropic etching process using the same as an etching mask is performed to form a contact hole 120 penetrating the interlayer insulating layer 110. The photoresist pattern is then removed. In this case, the contact hole 120 may be formed to expose a predetermined region, for example, a source / drain, of the semiconductor substrate 100. However, when the lower conductive pattern is formed, the contact hole 120 may form a gate contact hole or a via hole.

도 5를 참조하면, 상기 콘택홀(120)을 포함하는 반도체기판 전면에 접착층(130) 및 확산방지막(140)을 차례로 형성한다. 이에 따라, 상기 콘택홀(120) 내에는 상기 확산방지막(140)으로 둘러싸인 갭영역(142)이 형성된다.Referring to FIG. 5, an adhesive layer 130 and a diffusion barrier 140 are sequentially formed on the entire surface of the semiconductor substrate including the contact hole 120. Accordingly, a gap region 142 surrounded by the diffusion barrier 140 is formed in the contact hole 120.

상기 접착층(130) 및 상기 확산방지막(140)은 콘포말한 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 상기 접착층(130) 및 상기 확산방지막(140)은 화학기상증착(chemical vapor deposition) 또는 원자층 증착(atomic layer deposition)의 기술을 사용하여 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 접착층(130) 및 상기 확산방지막(140)은 각각 Ti막 및 TiN막으로 형성하는 것이 바람직한데, 상기 확산방지막(140)은 TaN막 또는 WN막일 수도 있다. 또한, 상기 확산방지막(140) 하부의 접착층(130)은 상기 반도체기판(100)의 실리콘과 반응하여 오믹접촉층(132)을 형성할 수도 있다. 이때, 상기 오믹접촉층(132)은 적어도 Ti, TiSi2및 CoSi2중 한가지로 형성되는 것이 바람직하다.The adhesive layer 130 and the diffusion barrier 140 are preferably formed in a conformal thickness. To this end, the adhesive layer 130 and the diffusion barrier 140 is preferably formed using a technique of chemical vapor deposition (atomic layer deposition) or atomic layer deposition (atomic layer deposition). In addition, the adhesive layer 130 and the diffusion barrier 140 is preferably formed of a Ti film and a TiN film, respectively, the diffusion barrier 140 may be a TaN film or WN film. In addition, the adhesive layer 130 under the diffusion barrier 140 may react with silicon of the semiconductor substrate 100 to form an ohmic contact layer 132. In this case, the ohmic contact layer 132 is preferably formed of at least one of Ti, TiSi 2 and CoSi 2 .

상기 확산방지막(140)은 후속 공정에서 형성될 금속 배선에 대해 식각 선택비를 갖는 물질막인 것이 바람직하다. 왜냐하면, 상기 확산 방지막(140)이 상기 금속 배선에 대해 식각선택비를 갖지 않는 물질일 경우, 종래 기술에서 설명한 것처럼, 과도식각의 방법으로 실시되는 금속 배선 형성을 위한 식각 공정에서 홈(도 2의 80)을 발생시키는 문제가 있기 때문이다.The diffusion barrier 140 is preferably a material film having an etch selectivity with respect to the metal wire to be formed in a subsequent process. Because, when the diffusion barrier 140 is a material that does not have an etch selectivity with respect to the metal wiring, as described in the prior art, the groove in the etching process for forming the metal wiring is performed by the transient etching method (see FIG. 80).

또한, 상기 갭영역(142)의 폭은 후속 공정에서 형성될 상기 금속 배선의 폭보다 좁아야 한다. 이를 위해, 상기 확산방지막(140)은 상기 콘택홀(120)의 폭에서 상기 금속배선의 폭을 뺀 길이의 절반보다 두꺼운 두께를 갖는 것이 바람직하다.In addition, the width of the gap region 142 should be smaller than the width of the metal wiring to be formed in a subsequent process. To this end, the diffusion barrier 140 preferably has a thickness greater than half of the length of the contact hole 120 minus the width of the metal wiring.

도 6을 참조하면, 상기 갭영역(142)을 채우도록, 상기 확산방지막(140) 상에 플러그 도전막(150)을 형성한다. 상기 플러그 도전막(150)은 적어도 Al, W, TiN 및 Cu 중의 한가지로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 플러그 도전막(150)은 화학기상 증착 기술 및 원자층 증착 기술을 사용하여 형성되는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 6, a plug conductive layer 150 is formed on the diffusion barrier layer 140 to fill the gap region 142. The plug conductive film 150 may be formed of at least one of Al, W, TiN, and Cu. In addition, the plug conductive layer 150 may be formed using a chemical vapor deposition technique and an atomic layer deposition technique.

그런데, 상기 확산방지막(140)으로 둘러싸인 상기 갭영역(142)은 채워지지 않고 공극(void)인 상태로 후속 금속 배선 형성 공정을 진행할 수도 있다. 즉, 본 발명의 다른 실시예로서, 상기 플러그 도전막(150)을 형성하지 않는 방법이 적용될 수도 있다.However, the gap region 142 surrounded by the diffusion barrier layer 140 may not be filled, but may proceed with a subsequent metal wiring forming process in a void state. That is, as another embodiment of the present invention, a method of not forming the plug conductive layer 150 may be applied.

도 7을 참조하면, 상기 층간절연막(110)이 노출될 때까지, 상기 플러그 도전막(150), 상기 확산방지막(140) 및 상기 접착층(130)을 전면식각한다. 이에 따라, 상기 콘택홀(120)을 차례로 채우는 접착 패턴(135), 확산방지막 패턴(145) 및 플러그 도전막 패턴(155)이 형성되고, 이들 패턴(135, 145, 155)들은 콘택 플러그(160)를 구성한다.Referring to FIG. 7, the plug conductive layer 150, the diffusion barrier layer 140, and the adhesive layer 130 are etched on the entire surface until the interlayer insulating layer 110 is exposed. As a result, an adhesive pattern 135, a diffusion barrier pattern 145, and a plug conductive layer pattern 155 are formed to sequentially fill the contact hole 120, and the patterns 135, 145, and 155 are contact plugs 160. ).

상기 전면식각의 방법은 화학기계적 연마 기술 또는 건식 식각의 방법을 사용하여 실시되는 것이 바람직하다.The method of front etching is preferably carried out using a chemical mechanical polishing technique or a dry etching method.

도 8을 참조하면, 상기 콘택 플러그(160)를 포함하는 반도체기판 전면에 상부 금속막을 형성한 후, 상기 상부 금속막을 패터닝하여 금속 배선(170)을 형성한다. 종래 기술의 문제점으로 지적된 홈 발생을 예방하기 위해서, 상기 금속 배선(170)은 상기 플러그 도전막 패턴(155)을 덮도록 형성되어야 한다. 이를 위해, 앞서 설명한 것처럼, 상기 확산방지막 패턴(145)을 상기 콘택홀(120)의 폭에서 금속 배선(170)의 폭을 뺀 길이의 절반 이상으로 형성한다. 즉, 상기 갭영역(142)의 폭이 상기 금속 배선(170)의 폭보다 좁도록 형성한다.Referring to FIG. 8, an upper metal layer is formed on the entire surface of the semiconductor substrate including the contact plug 160, and then the upper metal layer is patterned to form a metal wiring 170. In order to prevent the occurrence of grooves, which are pointed out as a problem of the related art, the metal wire 170 should be formed to cover the plug conductive layer pattern 155. To this end, as described above, the diffusion barrier layer pattern 145 is formed to be at least half of the length of the contact hole 120 minus the width of the metal wiring 170. That is, the width of the gap region 142 is formed to be narrower than the width of the metal wire 170.

본 발명에 따르면, 금속 배선보다 플러그 도전막 패턴의 폭이 좁아지도록,확산방지막 패턴의 두께가 콘택홀의 폭에서 금속 배선의 폭을 뺀 길이의 절반보다 두꺼운 두께로 형성한다. 또한, 금속 배선에 대해 식각 선택비를 갖는 물질로 확산방지막을 형성한다. 이에 따라, 콘택 플러그에 홈이 발생하는 것을 예방할 수 있다. 또한, 확산방지막으로 콘택홀을 전부 채우지 않음으로 인해, 크랙이 발생하는 문제를 최소화할 수 있다.According to the present invention, the thickness of the diffusion barrier film pattern is formed to be thicker than half of the length of the contact hole minus the width of the metal wiring so that the width of the plug conductive film pattern is narrower than that of the metal wiring. In addition, the diffusion barrier is formed of a material having an etching selectivity with respect to the metal wiring. Accordingly, it is possible to prevent the groove from occurring in the contact plug. In addition, since the contact holes are not completely filled with the diffusion barrier, cracking may be minimized.

Claims (15)

반도체기판 상에 형성된 층간절연막;An interlayer insulating film formed on the semiconductor substrate; 상기 층간절연막을 관통하는 콘택홀;A contact hole penetrating the interlayer insulating film; 상기 콘택홀의 내벽 및 하부면을 덮는 확산방지막 패턴; 및A diffusion barrier pattern covering the inner wall and the lower surface of the contact hole; And 상기 층간절연막 상에 배치되어 상기 확산방지막 패턴과 접속하는 금속 배선을 포함하되, 상기 금속 배선은 상기 확산방지막 패턴으로 둘러싸인 영역을 덮는 것을 특징으로 하는 콘택 플러그 구조체.And a metal wire disposed on the interlayer insulating film and connected to the diffusion barrier pattern, wherein the metal wire covers an area surrounded by the diffusion barrier pattern. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 확산방지막 패턴으로 둘러싸인 영역을 채우는 플러그 도전막 패턴을 더 포함하는 콘택 플러그 구조체.The contact plug structure further comprising a plug conductive layer pattern filling a region surrounded by the diffusion barrier layer pattern. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 확산방지막 패턴 및 상기 금속 배선 사이에는 공극(void)이 배치되는 것을 특징으로 하는 콘택 플러그 구조체.And a void disposed between the diffusion barrier pattern and the metal wiring. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 반도체기판 상에 배치되되, 상기 콘택홀에 의해 노출되는 하부 도전 패턴을 더 포함하는 콘택 플러그 구조체.A contact plug structure disposed on the semiconductor substrate, the contact plug structure further comprising a lower conductive pattern exposed by the contact hole. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 확산 방지막 패턴은 상기 금속 배선에 대해 식각 선택비를 갖는 물질인 것을 특징으로 하는 콘택 플러그 구조체.The diffusion barrier pattern is a contact plug structure, characterized in that the material having an etch selectivity with respect to the metal wiring. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 확산방지막 패턴은 적어도 TiN, TaN 및 W 중의 한가지를 포함하는 콘택 플러그 구조체.The diffusion barrier pattern includes at least one of TiN, TaN, and W. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 콘택홀의 측벽을 덮는 상기 확산방지막 패턴의 두께는 적어도 상기 콘택홀의 폭에서 상기 금속 배선의 폭을 뺀 길이의 절반보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 콘택 플러그 구조체.And a thickness of the diffusion barrier pattern covering the sidewalls of the contact hole is at least half the length of the contact hole minus the width of the metal wiring. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 확산방지막 패턴의 하부에 배치되는 오믹 접촉층(Ohmic contact layer) 을 더 포함하는 콘택 플러그 구조체.The contact plug structure further comprising an ohmic contact layer disposed under the diffusion barrier pattern. 반도체 기판상에 층간절연막을 형성하는 단계;Forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate; 상기 층간절연막을 관통하는 콘택홀을 형성하는 단계;Forming a contact hole penetrating the interlayer insulating film; 상기 콘택홀을 포함하는 반도체기판 전면을 콘포말하게 덮는 확산방지막을 형성하는 단계;Forming a diffusion barrier that conformally covers the entire surface of the semiconductor substrate including the contact hole; 상기 확산방지막을 전면식각하여 상기 층간절연막을 노출시킴으로써, 확산방지막 패턴을 형성하는 단계; 및Etching the entire surface of the diffusion barrier to expose the interlayer dielectric layer to form a diffusion barrier pattern; And 상기 층간절연막 상에 상기 확산방지막 패턴과 접속하는 금속 배선을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 금속 배선은 상기 확산방지막 패턴으로 둘러싸인 영역을 덮는 것을 특징으로 하는 콘택 플러그 구조체 형성 방법.Forming a metal wire on the interlayer insulating layer, the metal wire being connected to the diffusion barrier pattern, wherein the metal wire covers an area surrounded by the diffusion barrier pattern. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 확산방지막 패턴을 형성하는 단계는Forming the diffusion barrier pattern is 상기 확산방지막으로 덮여진 상기 콘택홀을 채우도록, 상기 확산방지막을 포함하는 반도체기판 전면에 플러그 도전막을 형성하는 단계;Forming a plug conductive layer on an entire surface of the semiconductor substrate including the diffusion barrier layer to fill the contact hole covered by the diffusion barrier layer; 상기 층간절연막이 노출될 때까지 상기 플러그 도전막 및 상기 확산방지막을 차례로 전면식각함으로써, 플러그 도전막 패턴 및 확산방지막 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하는 콘택 플러그 구조체 형성 방법.Forming a plug conductive layer pattern and a diffusion barrier layer pattern by sequentially etching the plug conductive layer and the diffusion barrier layer in turn until the interlayer dielectric layer is exposed. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 층간절연막을 형성하기 전에, 상기 콘택홀에 의해 상부면의 일부가 노출되는 하부 도전 패턴을 상기 반도체기판 상에 형성하는 단계를 더 포함하는 콘택 플러그 구조체 형성 방법.And forming a lower conductive pattern on the semiconductor substrate to expose a portion of an upper surface by the contact hole before forming the interlayer insulating layer. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 확산방지막은 상기 금속 배선에 대해 식각 선택비를 갖는 물질막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 콘택 플러그 구조체 형성 방법.And the diffusion barrier layer is formed of a material layer having an etch selectivity with respect to the metal line. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 확산방지막은 적어도 TiN, TaN 및 W 중의 한가지를 포함하도록 형성하는 콘택 플러그 구조체 형성 방법.And the diffusion barrier layer is formed to include at least one of TiN, TaN, and W. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 확산방지막의 하부에 오믹접촉층을 형성하는 단계를 더 포함하는 콘택 플러그 구조체 형성 방법.The method of claim 1, further comprising forming an ohmic contact layer under the diffusion barrier. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 확산방지막의 두께는 적어도 상기 콘택홀의 폭에서 상기 금속 배선의 폭을 뺀 길이의 절반보다 두껍게 형성하는 것을 특징으로 하는 콘택 플러그 구조체 형성 방법.And the thickness of the diffusion barrier layer is formed to be thicker than at least half of the length of the contact hole minus the width of the metal wiring.
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