KR0179795B1 - Method of diffusion barrier film - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이층 구조의 Cu 확산방지막 형성방법에 관한 것으로, 반도체 소자 제조시, 기판과 Cu 배선 사이에 제1장벽금속(예컨대, TiNx, TiWx, Ta, TaNx, WNx, TaSixNy, TiSixNy)과, 상기 제1장벽금속상에 Cu 합금 재질의 제2장벽금속(예컨대, Cu-Zn 합금, Cu-Ti 합금, Cu-Mg 합금, Cu-Ta 합금)이 적층된 이층 구조의 확산방지막을 형성시켜 주므로써, 확산방지막을 단일층 구조로 형성하였을 때 보다 확산방지막 특성을 2배 이상 증가시킬 수 있게 되어 구리배선의 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.The present invention relates to a method for forming a Cu diffusion barrier film having a two-layer structure, wherein, in manufacturing a semiconductor device, a first barrier metal (eg, TiNx, TiWx, Ta, TaNx, WNx, TaSixNy, TiSixNy) between the substrate and the Cu wiring, By forming a diffusion barrier film having a two-layer structure in which a second barrier metal (for example, Cu-Zn alloy, Cu-Ti alloy, Cu-Mg alloy, Cu-Ta alloy) of Cu alloy material is laminated on the first barrier metal In addition, when the diffusion barrier is formed in a single layer structure, the diffusion barrier properties can be increased by two times or more, thereby improving the reliability of the copper wiring.
Description
제1(a)도 내지 제1(c)도는 본 발명에서 제시된 Cu-Zn 합금, Cu-Ti 합금, Cu-Mg 합금의 조성 성분을 도시한 도표.1 (a) to (c) is a diagram showing the composition of the Cu-Zn alloy, Cu-Ti alloy, Cu-Mg alloy presented in the present invention.
제2도는 본 발명에 따른 Cu 확산방지막이 형성되어 있는 반도체 소자의 구조를 도시한 단면도.2 is a cross-sectional view showing a structure of a semiconductor device on which a Cu diffusion barrier film according to the present invention is formed.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
100 : 기판 102 : 제1 장벽금속100 substrate 102 first barrier metal
104 : Cu 합금 재질의 제2 장벽금속 106 : Cu막104: second barrier metal of Cu alloy material 106: Cu film
본 발명은 반도체 소자의 Cu 배선을 위한 확산장벽막(diffusion barrier film) 형성방법에 관한 것으로, 특히 Cu의 확산 특성을 효과적으로 억제할 수 있도록 한 이층 구조의 확산장벽막 형성방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a diffusion barrier film for Cu wiring of a semiconductor device, and more particularly, to a method for forming a diffusion barrier film having a two-layer structure that effectively suppresses diffusion characteristics of Cu.
현재까지 가장 널리 사용되고 있는 배선재료로는 일렉트로마이그레이선(electromigration: 이하, EM이라 한다) 특성이 우수한 W나 전기저항이 상대적으로 낮은 Al이 그 주류를 이루고 있으나, 이 두 종류의 금속 배선은 소자가 하프-서브마이크론 지오메트리(half-submicron geometry)로 변화될 경우, EM 특성 저하, 배선 길이 증가 및 박막의 단면적 감소로 인한 저항증가, 그리고 절연막 두께 감소 및 금속-선(metal-line)간의 폭 감소에 의한 소자의 동작속도 감소등과 같은 불량 현상을 발생시키는 요인으로 작용하게 되어 알루미늄이나 텅스텐을 이용한 배선에는 한계가 나타나고 있는 실정이다.The most widely used wiring materials to date include W having excellent electromigration (hereinafter referred to as EM) characteristics and Al having relatively low electrical resistance. Changes to half-submicron geometry, decreases EM characteristics, increases wiring length, increases resistance due to reduced cross-sectional area of thin film, decreases insulation thickness, and decreases metal-line width. Due to this, it acts as a factor that causes defects such as a decrease in the operation speed of the device, which is a limit in the wiring using aluminum or tungsten.
이에 따라, 차세대 배선 재료로서 알루미늄 배선에 비해 낮은 저항을 가지면서도 EM 저항성이 우수한 Cu 배선의 실용화가 요구되고 있다.Accordingly, the practical use of Cu wiring having excellent EM resistance while having lower resistance than aluminum wiring as a next-generation wiring material is required.
그러나, Cu는 낮은 내산화성과 빠른 확산 특성(예컨대, 900℃ Si 기판에서의 Al 확산성(Al diffusivity)이 10-14cm2/s인 반면, Cu의 확산성(Cu diffusivity)은 10-4cm2/s으로 약 10110정도)을 가지므로 Si 및 대부분의 금속 내에서 매우 빠르게 움직인다. 따라서, Cu가 금속막을 통하여 Si 속으로 확산하여 소자를 단선시키는 결과를 초래하게 된다.However, Cu has low oxidation resistance and fast diffusing properties (e.g., Al diffusivity at 900 ° C Si substrate is 10 -14 cm 2 / s, while Cu diffusivity is 10 -4 ). about 10 110 cm 2 / s), so it moves very quickly in Si and most metals. Therefore, Cu diffuses into Si through the metal film, resulting in disconnection of the device.
또한, Cu는 Si 내에서 재결합 센터(recombination center)로 작용하여 소수 운반자(minority carrier)의 수명을 감소시키므로 소자의 동작에도 영향을 미친다.Cu also acts as a recombination center in Si, reducing the lifetime of minority carriers and thus affecting device operation.
따라서, Cu를 배선재료로서 이용하기 위해서는 이러한 문제점을 극복해야 하며, 특히 위의 문제점 중에서 Si에서의 큰 확산계수는 열처리시 상호확산에 의한 Cu/Si(또는 Cu/유전체막) 계면의 열적 안정성을 위협하여 소자의 신뢰도를 크게 감소시키게 될 것으로, Cu와 Si(또는 Cu와 유전체막) 사이에 이들의 반응을 막아 주어야 할 확산방지막을 필요로 하게 된다.Therefore, in order to use Cu as a wiring material, this problem must be overcome. In particular, a large diffusion coefficient in Si can reduce the thermal stability of the Cu / Si (or Cu / dielectric film) interface due to mutual diffusion during heat treatment. It will threaten to greatly reduce the reliability of the device, and will require a diffusion barrier that must prevent their reaction between Cu and Si (or Cu and dielectric film).
상기 확산방지막은 구리와 화학적 친화력이 없어야 되며, 고온까지 결정입계와 같은 결함이 없어야 되고, 구리와 실리콘의 높은 고용도 및 높은 확산도에 대한 저항성이 있어야 한다.The diffusion barrier should be free of chemical affinity with copper, free from defects such as grain boundaries up to high temperatures, and should be resistant to high solid solubility and high diffusion of copper and silicon.
종래의 확산방지막 구성은 단일층(singer layer)으로, 확산방지막 특성이 우수한 재료적인 특성을 고려하여, 원소방지막으로는 Ta에 대한 많은 연구가 진행되어 있으며, 화합물방지막으로는 TiN이나 TaN에 대하여 많은 연구가 되어 있다.Conventional diffusion barrier composition is a single layer (singer layer), in consideration of the material properties excellent in diffusion barrier properties, many studies on Ta as an element barrier, and as a compound barrier to TiN or TaN There is research.
E.Kolawa, J.S. chen, J.S. Reid, P.J. Pokela, and M.A. Nicolet, Tantalum-based diffusion barriers in Si/Cu VLSI Metallizations J. Appl. phys. 70, 1369(1991) 및 J.O Olowolafe, C.J. Mogab, R.B.Gregory, and M. Kottke, J. Appl. phys. 72, 4099, 1992에는 이들 확산방지막에 대한 특성이 보고되어 있다.E. Kolawa, J.S. chen, J.S. Reid, P.J. Pokela, and M.A. Nicolet, Tantalum-based diffusion barriers in Si / Cu VLSI Metallizations J. Appl. phys. 70, 1369 (1991) and J. Olowolafe, C.J. Mogab, R. B. Gregory, and M. Kottke, J. Appl. phys. 72, 4099, 1992 report the properties of these diffusion barriers.
TiW는 비교적 높은 온도까지 Cu에 대한 확산을 방지할 수 있지만 어느 정도의 온도에서는 Si과 함께 분해반응에 의하여 확산방지막의 파손이 일어난다.TiW can prevent diffusion to Cu to a relatively high temperature, but at a certain temperature, breakage of the diffusion barrier occurs due to decomposition reaction with Si.
TiN은 비교적 넓은 온도범위에서 확산방지막의 역할을 할 수 있으나 결정입계 또는 고온에서 생성된 결함 등을 따라서 Cu가 확산하여 방지막의 파손이 일어난다. 그러나, 이 TiN 방지막은 증착방법 및 조건에 따라 TiN 박막의 전기저항, 밀도, 결정립 구조, 그리고 결함분포 등이 변화되므로, 그 결과 Cu에 대한 확산방지막의 안정한 온도가 변화하게 된다. 최근, TiN 확산방지막을 증착하는 중이나 또는 증착 후 열처리를 통하여 질소, 산소 및, 수소 등을 첨가하여 결정입계를 차단시켜 방지막의 특성을 향상시킬려는 연구가 진행되고 있으나, Al과는 달리 좋은 결과를 얻지 못하고 있다.TiN may act as a diffusion barrier in a relatively wide temperature range, but Cu diffuses along the grain boundaries or defects generated at high temperatures, resulting in breakage of the barrier. However, the TiN barrier film changes the electrical resistance, density, grain structure, defect distribution, and the like of the TiN thin film depending on the deposition method and conditions. As a result, the stable temperature of the diffusion barrier film against Cu changes. Recently, studies have been conducted to improve the properties of the barrier layer by adding nitrogen, oxygen, and hydrogen through the heat treatment during or after the deposition of the TiN diffusion barrier layer. However, unlike Al, a good result is obtained. I don't get it.
다결정 확산방지막 Ta는 Cu에 대하여 화학적 친화력 및 고용도는 없지만 어느 정도의 온도에서는 Cu가 결정입계를 따라서 확산하여 파손된다. Cu의 결정입계 확산을 방지하기 위하여 Ta에 Si를 첨가하여 Cu의 빠른 확산 경로가 되는 결정입계가 존재하지 않으며, 비교적 높은 결정화 온도를 가지는 비정질 TaSi 확산방지막이 개발되었으나, 이 비정질 TaSi 방지막은 Cu와 접촉되었을 때 비정질 확산방지막의 특성을 좌우하는 결정화 온도가 상당히 감소하여 비교적 낮은 온도에서 Cu와 반응하여 확산방지막이 파손되는 현상이 야기된다. 이 비정질 TaSi 방지막의 기능을 개선하기 위하여, TaSi 화합물에 Cu와 반응성이 없으며, 고용도가 없는 N2를 첨가하여 결정화 온도를 증가시키고 결정입계가 없는 비정질 3원계 화합물 방지막을 형성하는 것에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으나, Cu와 접촉되었을 때 결정화 온도가 낮아진다는 것과, 비저항이 1000μΩ·cm 정도로 높다는 점은 아직까지도 개선해야 할 문제점으로 남아 있다.The polycrystalline diffusion barrier Ta has no chemical affinity and solid solubility with respect to Cu, but at a certain temperature, Cu diffuses and breaks along the grain boundaries. In order to prevent the grain boundary diffusion of Cu, there is no grain boundary which is a fast diffusion path of Cu by adding Si to Ta, and an amorphous TaSi diffusion barrier film having a relatively high crystallization temperature has been developed. When contacted, the crystallization temperature, which influences the characteristics of the amorphous diffusion barrier, is significantly reduced, causing the diffusion barrier to break due to reaction with Cu at a relatively low temperature. In order to improve the function of this amorphous TaSi protective film, research on the formation of an amorphous tertiary compound protective film without increasing the crystallization temperature by adding N 2 which is not reactive with Cu and has no solid solubility to the TaSi compound is carried out. Actively progressing, however, the crystallization temperature is lowered when it is in contact with Cu, and the specific resistance is as high as 1000 μΩ · cm remains a problem to be improved.
한편, 미세 구조적인 면에서는 확산방지막의 특성을 향상시키기 위하여 TiN이나 TaN에 충진처리(stuffing)를 실시하는 실험이 W. Sinke, G.P.A. Frijlink, and F.W. Saris, Oxgen in Titanium Nitride Diffusion Barrier, Appl. phys. Lett. 47, 471(1985) 및 김기범, Cu 배선 공정에서 TiN 확산방지막의 역할에 대한 연구, 서울대학교 반도체 공동 연구소, 보고서 번호: ISR(94-E-1023)에 보고된 바 있다.On the other hand, in terms of microstructure, experiments in which TiN or TaN is stuffed to improve the properties of the diffusion barrier are described in W. Sinke, G.P.A. Frijlink, and F.W. Saris, Oxgen in Titanium Nitride Diffusion Barrier, Appl. phys. Lett. 47, 471 (1985) and Kim Ki-bum, a study on the role of TiN diffusion barrier in Cu wiring process, have been reported in Seoul National University Joint Research Institute, Report No .: ISR (94-E-1023).
이 실험에 의하면 첫째, 어떤 물질을 확산방지막으로 이용하고자 할 경우 동일 조건에서는 미세 구조가 치밀할수록 우수한 확산방지막 성능을 얻을 수 있으며 둘째, Cu의 확산은 확산방지막의 그레인 바운더리(grain boundary)를 통해 주로 일어난다는 것이 입증되었다.According to this experiment, first, if a material is to be used as a diffusion barrier, the finer the microstructure, the better the diffusion barrier performance under the same conditions. Second, the diffusion of Cu is mainly through the grain boundary of the diffusion barrier. It has been proven to happen.
또한 이 실험에서는 미세 구조적인 면에서 충진처리 역시 크게 효과가 나타나지 않았는데, 이는 반도체 제조 공정에서 요구되는 열처리 온도에 제한이 따라 확산방지막의 그레인 바운더리를 표면부터 그 내부 끝까지 충분히 충진처리 할 수 없기 때문으로 나타났다.Also, in this experiment, the filling process also did not show much effect in terms of microstructure, because the grain boundary of the diffusion barrier layer could not be sufficiently filled from the surface to the inner end due to the limitation on the heat treatment temperature required in the semiconductor manufacturing process. appear.
즉, 확산방지막으로서 1) TiNx, TiWx, Ta, TaNx, WNx 등을 사용할 경우에는 500℃에서 1시간 정도 경과하게 되면, 장벽(barrier) 특성이 없어지게 되고, 2) TaSixNy, TiSixNy 등은 그 조성에 따라 변화가 심하여 실용화가 어려우며, 3) 미세 구조적인 측면에서 TiN의 그레인 바운더리를 충진처리하는 방식은 반도체 제조 공정에서 요구되는 열처리 온도에 제한이 따라 그레인 바운더리 표면부터 내부 끝까지 충분히 충진처리를 할 수 없다는 단점을 가지게 된다.That is, when 1) TiNx, TiWx, Ta, TaNx, WNx, or the like is used as the diffusion barrier, the barrier property disappears after 1 hour at 500 ° C. 2) TaSixNy, TiSixNy, etc. 3) The method of filling the grain boundary of TiN in the microstructural aspect can be sufficiently filled from the grain boundary surface to the inner end due to the limitation on the heat treatment temperature required in the semiconductor manufacturing process. There is a disadvantage.
이에 본 발명은 상기와 같은 단점을 개선하기 위하여 이루어진 것으로, 기존 장벽금속 위에 안정된 조성을 갖는 Cu 합금(예컨대, Cu-Zn 합금, Cu-Ti 합금, Cu-Mg 합금, Cu-Ta 합금)을 증착한 뒤, 이 두층의 장벽금속을 Cu 확산방지막으로 이용하므로써, Cu의 확산 특성을 효과적으로 억제할 수 있도록 한 이층 구조의 Cu 확산방지막 형성방법을 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention is made to improve the above disadvantages, and deposited Cu alloy (eg, Cu-Zn alloy, Cu-Ti alloy, Cu-Mg alloy, Cu-Ta alloy) having a stable composition on the existing barrier metal Then, it is an object of the present invention to provide a method for forming a Cu diffusion barrier film having a two-layer structure in which two barrier metals are used as the Cu diffusion barrier, thereby effectively suppressing the diffusion characteristics of Cu.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이층 구조의 Cu 확산방지막 형성방법은, 반도체 소자 제조시, 기판과 Cu 배선 사이에 제1장벽금속과, 상기 제1장벽금속 상에 Cu 합금 재질의 제2장벽금속이 적층된 이층 구조의 확산방지막을 형성하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a method of forming a Cu diffusion barrier film having a two-layer structure includes a first barrier metal between a substrate and a Cu wiring, and a Cu alloy material on the first barrier metal when the semiconductor device is manufactured. It is characterized by forming a diffusion barrier film of a two-layer structure in which the second barrier metal is laminated.
상기 공정 결과, Cu의 확산 특성을 효과적으로 억제할 수 있게 된다.As a result of the above process, it is possible to effectively suppress the diffusion characteristics of Cu.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.
본 발명은 낮은 저항성과 우수한 EM 특성을 갖는 Cu 배선 실용화의 문제점인 Cu의 빠른 확산 특성을 효과적으로 억제할 수 있도록 하기 위하여, 안정된 조성을 갖는 Cu 합금을 이용하여 이층 구조의 Cu 확산방지막을 형성한 것으로, 이것은 Cu 합금에 Cu가 확산되려면 많은 에너지가 요구되는 특성을 이용하여 Cu의 확산을 억제시키는 원리를 이용한 것이다.The present invention is to form a Cu diffusion barrier film having a two-layer structure by using a Cu alloy having a stable composition in order to effectively suppress the fast diffusion characteristics of Cu, which is a problem of the commercialization of Cu wiring having low resistance and excellent EM characteristics. This is based on the principle of suppressing the diffusion of Cu by using a property that requires much energy for the diffusion of Cu in the Cu alloy.
이때, 사용되는 Cu 합금으로는 Eric A. Brandes가 편집한 Smithells Metals Reference Book에 보고된 바 있는, 저항값을 떨어뜨리지 않으면서도 안정된 상을 갖는 Cu-Zn 합금, Cu-Ti 합금, Cu-Mg 합금, Cu-Ta 합금 등을 들 수 있으며, 여기서 제시하는 이들 구리 합금들의 구체적인 조성 성분은 다음과 같다.At this time, the Cu alloys used are Cu-Zn alloys, Cu-Ti alloys, and Cu-Mg alloys having stable phases without dropping resistance values reported in the Smithells Metals Reference Book edited by Eric A. Brandes. , Cu-Ta alloy, and the like, and specific compositional components of these copper alloys presented here are as follows.
·Cu와 Zn 합금; ∈상과 η상이 공존하는 Zn을 88-97wt.% 가지는 구리 합금Cu and Zn alloys; Copper alloy with 88-97 wt.% Zn in which the phase and η phase coexist
·Cu와 Ti 합금; Ti2Cu와 α상이 공존하는 Ti가 67 a.t.% 이상인 구리 합금Cu and Ti alloys; A copper alloy having Ti of at least 67 at% in which Ti 2 Cu and α phase coexist
·Cu와 Mg 합금; Mg2Cu와 Mg가 공존하는 Mg가 43.4 wt.% 이상인 구리 합금Cu and Mg alloys; Copper alloys containing at least 43.4 wt.% Mg in which Mg 2 Cu and Mg coexist
·Cu와 Ta 합금; Ta가 30 wt.% 이상인 구리 합금Cu and Ta alloys; Copper alloys with Ta of 30 wt.% Or more
이러한 Cu 합금을 이용하여 이층 구조의 확산방지막을 형성하는 공정을 제1도에 도시된 단면도를 참조하여 설명한다.The process of forming the diffusion barrier film of the two-layer structure using such a Cu alloy will be described with reference to the cross-sectional view shown in FIG.
먼저, 제1공정으로서 기판(10) 상에 제1장벽금속(102)인 TiNx, TiWx, Ta, TaNx, WNx, TaSixNy, TiSixNy 등을 100Å 내지 1000Å의 두께로 형성한다.First, as the first step, TiNx, TiWx, Ta, TaNx, WNx, TaSixNy, TiSixNy, etc., which are the first barrier metals 102, are formed on the substrate 10 to a thickness of 100 kPa to 1000 kPa.
이후, 상기 제1장벽금속(102) 상에 전술된 Cu 합금 재질(예컨대, Cu-Zn 합금, Cu-Ti 합금, Cu-Mg 합금, Cu-Ta합금)의 제2장벽금속(104)을 화학기상증착법(chemical vapour deposition:CVD) 또는 물리적증착법(physical vapour deposition)을 이용하여 100Å 내지 1000Å 두께로 형성하여 제1장벽금속(102)/Cu 합금 재질의 제2장벽금속(104) 적층구조의 확산방지막을 형성한다.Subsequently, the second barrier metal 104 of the above-described Cu alloy material (eg, Cu—Zn alloy, Cu—Ti alloy, Cu—Mg alloy, Cu—Ta alloy) is chemically deposited on the first barrier metal 102. Diffusion of the first barrier metal 102 / Cu alloy stack structure by forming a thickness of 100 Å to 1000 Å by using chemical vapor deposition (CVD) or physical vapor deposition A prevention film is formed.
그 다음, 상기 제2장벽금속(104) 상에 금속유기화학증착법(metal-organic chemical vapor deposition:MOCVD)을 이용하여 Cu막(106)을 증착하므로써 본 공정을 완료한다.Next, this process is completed by depositing a Cu film 106 on the second barrier metal 104 using metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD).
이와 같이 공정을 진행하였을 경우, Cu 합금 재질의 제2장벽금속 내로 Cu가 확산되는데 많은 에너지가 요구되므로, Cu 증착 공정시 발생되던 Cu의 확산을 억제할 수 있게 된다.In this case, since much energy is required for the diffusion of Cu into the second barrier metal of the Cu alloy material, the diffusion of Cu generated during the Cu deposition process can be suppressed.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 확산방지막을 제1장벽금속(102)/Cu 합금 재질의 제2장벽금속(104) 적층 구조를 가지도록 형성하므로써, 단일층 구조로 형성하였을 때 보다 확산방지막 특성을 2배 이상 증가시킬 수 있게 되어 구리배선의 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.As described above, according to the present invention, the diffusion barrier layer is formed to have a laminated structure of the first barrier metal 102 / the second barrier metal 104 made of Cu alloy material, and thus, the diffusion barrier layer has a characteristic of forming a diffusion barrier rather than a single layer structure. It can be increased more than two times to improve the reliability of the copper wiring.
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