KR100186985B1 - 반도체 소자의 콘택홀 매립 금속배선 형성방법 - Google Patents

반도체 소자의 콘택홀 매립 금속배선 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 직경이 큰 콘택홀을 매립하는 콘택홀 매립 금속배선 형성방법을 제공하기 위한 것이다.
이와같은 목적을 달성하기 위한 금속배선 형성 방법은 반도체 기판에 형성된 산화막의 소정 영역에 최종 콘택홀의 직경보다 작은 제1콘택홀을 형성하는 단계; 제1콘택홀에 텅스텐 플러그를 형성하는 단계; 제1콘택홀에 매립된 텅스텐 플러그의 소정부분과 산화막의 소정부분을 포함하는 영역을 노출시키는 감광막 마스크 패턴을 형성하는 단계; 감광막 마스크와 노출된 텅스텐 플러그를 식각 장벽으로 하여 노출된 산화막에 제2콘택홀을 형성하는 단계; 제2 콘택홀을 포함한 전면에 금속막을 매립하여 제2금속배선을 형성하는 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 소자의 콘택홀 매립 금속배선 형성방법
제1도는 본 발명의 일실시 예에 따른 반도체 소자의 콘택홀 매립시의 금속배선 형성방법을 설명하기 위한 공정 흐름도.
제2도는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 소자의 콘택홀 매립시의 금속배선 형성방법을 설명하기 위한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 반도체 기판 2 : 산화막
3, 6, 10 : 장벽 금속막 4, 7 : 텅스텐막
5 : 감광막 8 : 알루미늄 합금막
9 : 반사방지막
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 직경이 큰 콘택홀을 매립하는 반도체 소자의 콘택홀 매립 금속배선 형성 방법에 관한 것이다.
금속배선은 반도체 소자에서 반도체의 도핑된 영역과 전도막을 전기적으로 연결시켜 주는 역할을 하는 배선으로서, 불순물 이온이 주입된 폴리실리콘이나 알루미늄이 주로 사용되고 있다. 또한, 열적인 안정성과 집적도의 증가로 인한 낮은 저항성을 이유로 전이금속과 실리콘의 화합물인 실리사이드가 금속배선으로서의 사용이 점점 증대되고 있다.
이러한 금속배선을 형성하기 위한 방법으로는 물리적인 증착법인 스퍼터링법과 화학적인 증착법인 화학기상증착법이 주로 사용된다.
일반적으로 금속배선 패턴은 금속막을 하부의 절연막 전면에 증착한후, 감광막 마스크를 이용하여 식각하여 제거하는 방법에 의하여 형성된다.
이러한 금속배선을 서로 연결하기 위해서는 금속간 절연막의 소정 부위에 콘택홀이나 비아홀과 같은 구멍을 뚫어서 그 구멍을 도전막으로 매립하는 방법이 사용되고 있다.
콘택홀의 직경이 작은 경우에는 매립을 위하여 얇은 두께의 금속막 증착이 필요하고, 직경이 큰 경우에는 두꺼운 금속막의 증착이 뒤따라야 한다.
그러나, 직경이 큰 콘택홀을 매립하는 경우, 금속막의 증착이 두껍게 이루어져야 하므로, 콘택홀에 매립된 플러그가 들떠서 접촉 불량이 발생하는 문제가 야기되며, 아울러, 매립을 위한 증착후, 플러그의 형성을 위하여 전면식각을 할 경우, 그 식각 시간이 길어지고 텅스텐막의 두께 조절이 어려운 문제점이 존재한다.
따라서, 본 발명의 목적은 설계된 콘택홀의 직경이 클 경우, 이를 직경이 작은 콘택홀로 분할하여 플러그를 형성하는 방법을 사용하므로써, 상기한 문제점들을 해결할 수 있는 반도체 소자의 콘택홀 매립 금속배선 형성방법을 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 금속배선 형성 방법은 반도체 기판에 형성된 전도영역을 절연시키기 위한 산화막의 소정 영역에 사진식각법으로 최종 콘택홀의 직경보다 작은 제1콘택홀을 형성하는 단계; 상기 제1콘택홀의 형상을 유지할 정도의 얇은 두께로 고융점 금속의 장벽 금속막을 상기 제1콘택홀을 포함한 전면에 증착하는 단계; 상기 장벽 금속막 전면에 상기 제1콘택홀을 충분히 매립할 정도의 소정 두께로 텅스텐 금속막을 증착하는 단계; 상기 산화막의 표면이 노출될 때까지 증착된 텅스텐 금속막을 전면 식각하는 단계; 상기 제1콘택홀에 매립된 텅스텐 플러그의 소정부분과 산화막의 소정부분을 포함하는 영역을 노출시키는 감광막 마스크 패턴을 형성하는 단계; 상기 감광막 마스크와 노출된 텅스텐 플러그를 식각 장벽으로 하여 노출된 산화막에 제2콘택홀을 형성하는 단계; 상기 제2콘택홀을 포함한 전면에 상기 제2콘택홀의 형상을 유지하는 정도의 얇은 두께로 고융점 금속의 장벽 금속막을 증착하는 단계; 전면에 상기 제2콘택홀을 매립할 정도의 소정 두께로 텅스텐 금속막을 증착하는 단계; 전면에 제2금속막을 소정 두께로 증착하여 금속배선 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한다.
첨부한 도면 제1도는 본 발명의 일실시 예에 따른 반도체 소자의 콘택홀 매립 금속배선의 형성방법을 설명하기 위한 공정흐름도이다.
먼저, (a)와 같이, 반도체 기판 상부에 소자의 활성 영역을 형성하기 위한 일정 순서의 공정을 완료한 다음에 감광막 마스크 패턴(미도시)을 이용한 사진식각법을 사용하여 산화막(2)의 소정 부위에만 제1콘택홀(100)을 형성시킨다. 상기 제1콘택홀(100)은 최종적으로 형성시킬 콘택홀의 직경보다 작은 것으로서, 매립 금속막의 증착시, 금속막의 들뜸 현상이 발생하지 않을 정도의 직경이다. 이 후, 상기 제1콘택홀(100)의 형상을 유지하면서 콘택홀을 덮을 수 있는 장벽 금속막을 얇게 증착한다. 이 때, 사용되는 장벽 금속막으로는 티타늄(Ti : Titanium)상에 티타늄나이트라이드(TiN : TitaniumNitride)가 적층된 구조가 이용된다. 이 후, 튜브형 로에서 400℃이상의 온도를 유지하면서 10분동안 열처리를 진행한다. 상기 열처리를 위한 공급개스로는 질소(N2)가 50％이상 함유된 것을 사용한다.
다음으로, 상기 장벽 금속막(3)위에 텅스텐 금속막(4)을 콘택홀(100)을 충분히 매립할 수 있는 정도의 두께만큼 증착하여 콘택홀이 상기 텅스텐으로 매립되도록 한다.
이후, (b)와 같이, 산화막(2)의 표면이 노출될 때까지 텅스텐막(4)을 전면(Blanket) 식각하여 제1콘택홀(100)을 매립하는 플러그를 형성한다. 이 후, 상기 플러그의 소정 부분과 인접한 산화막의 소정 부분을 노출시키는 감광막 마스크를 형성한다. 여기서 상기 텅스텐 플러그를 형성하기 위한 식각 공정은 상기 전면 식각 공정 외에도, 화학 및 기계적 연마법(CMP ; Chomical Mechanical Polishing)도 가능하다.
다음으로, 상기 감광막 마스크(5)와 노출된 텅스텐 플러그를 식각장벽으로 하여 제1콘택홀(100)영역과 접하는 제2콘택홀(200)을 형성한다. 이때, 형성된 제2콘택홀(200)은 제1콘택홀(100)에 비하여 그 직경이 작다.
이후, c와 같이, 상기 제2콘택홀(200)을 포함한 전면에 상기 제2콘택홀(200)의 형상을 거의 그대로 유지하는 정도의 얇은 두께로 고융점 금속의 장벽 금속막(6)을 증착한다. 상기 장벽 금속막(6)은 하부의 티타늄막과 상기 티타늄막상의 티타늄나이트라이드의 적층구조로 형성한다. 이 후, 튜브형 로에서 400℃이상의 온도를 유지하면서 10분동안 열처리를 진행한다.
다음으로, 전면에 상기 제2콘택홀(200)을 매립할 정도의 소정 두께로 텅스텐 금속막(7)을 증착하고, 상기 텅스텐 금속막(7)의 전면에 알루미늄 합금막(8)과 반사방지막(9)을 순차적으로 증착한 다음, 사진식각법을 이용한 감광막 마스크를 사용하여 콘택홀과 접촉하는 제2금속배선을 형성한다.
본 발명의 다른 실시예로는 제2도에 도시한 것과 같이, 제2콘택홀(200)을 텅스텐막으로 매립한 다음, 제2콘택홀을 매립한 텅스텐 금속막을 산화막의 표면이 노출될 때까지 전면식각한다. 이후, 식각된 전면에 고융점 장벽 금속막(10)을 소정 두께로 증착하고, 튜브형 로에서 400℃이상의 온도를 유지하면서 10분동안 열처리를 진행한다.
다음으로, 알루미늄 합금막(8)과 반사방지막(9)을 전면에 증착하고 사진식각법을 이용한 감광막 마스크를 사용하여 콘택홀과 접촉하는 제2금속배선을 형성하는 것이다.
상기 실시 예에서도 장벽 금속막은 티타늄나이트라이드를 사용하거나, 티타늄나이트라이드와 상기 티타늄나이트라이드 위의 고융점 금속막의 적층구조로 형성하는 두가지 방법이 가능하다. 아울러, 상기 고융점 금속막은 티타늄, 몰리브듐, 티타늄텅스텐, 탄탈륨막 중에서 선택적으로 형성한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 콘택홀 매립 금속배선 형성방법은 직경이 큰 콘택홀을 매립할 때, 직경이 작은 콘택홀로 분할하여 금속막을 매립하여 주므로써, 매립된 금속막이 들뜨는 현상을 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명은 수율 및 생산성을 향상시키는 효과를 제공한다.
여기에서는 본 발명의 특정 실시예에 대하여 설명하고 도시하였지만 당업자에 의하여 이에 대한 수정과 변형을 할 수 있다. 따라서, 이하, 특허청구의 범위는 본 발명의 진정한 사상과 범위에 속하는 한 모든 수정과 변형을 포함하는 것으로 이해할 수 있다.

Claims (11)

  1. 반도체 기판에 형성된 전도영역을 절연시키기 위한 산화막의 소정 영역에 사진식각법으로 최종 콘택홀의 직경보다 작은 제1콘택홀을 형성하는 단계; 상기 제1콘택홀의 형상을 유지할 정도의 얇은 두께로 고융점 금속의 장벽 금속막을 상기 제1콘택홀을 포함한 전면에 증착하는 단계; 소정 온도 및 소정시간동안 제1열처리 하는 단계; 상기 장벽 금속막 전면에 상기 제1콘택홀을 충분히 매립할 정도의 소정 두께로 텅스텐 금속막을 증착하는 단계; 상기 산화막의 표면이 노출될 때까지 증착된 텅스텐 금속막을 전면 식각하는 단계; 상기 제1콘택홀에 매립된 텅스텐 플러그의 소정부분과 산화막의 소정부분을 포함하는 영역을 노출시키는 감광막 마스크 패턴을 형성하는 단계; 상기 감광막 마스크와 노출된 텅스텐 플러그를 식각 장벽으로 하여 노출된 산화막에 제2콘택홀을 형성하는 단계; 상기 제2콘택홀을 포함한 전면에 상기 제2콘택홀의 형상을 유지하는 정도의 얇은 두께로 고융점 금속의 장벽 금속막을 증착하는 단계; 소정온도와 소정시간동안 제2열처리하는 단계; 전면에 상기 제2콘택홀을 매립할 정도의 소정 두께로 텅스텐 금속막을 증착하는 단계; 전면에 제1, 제2 콘택홀 부분과 접촉하는 제2금속배선을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 콘택홀 매립 금속배선 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2금속배선 형성단계는 제2콘택홀을 매립한 텅스텐 금속막 위에 알루미늄 합금막을 소정 두께로 증착하는 단계; 알루미늄 합금막의 전면에 반사방지막을 소정 두께로 증착하는 단계; 전면에 감광막 마스크 패턴을 형성하여 제2금속배선을 형성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 콘택홀 매립 금속배선 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2금속배선 형성단계는 제2콘택홀을 매립한 텅스텐 금속막을 산화막의 표면이 노출될 때까지 전면식각하는 단계; 식각된 전면에 고융점 장벽 금속막을 소정 두께로 증착하는 단계; 소정 온도 및 소정 시간동안 열처리 하는 단계; 알루미늄 합금막을 전면에 증착하는 단계; 알루미늄 합금막의 전면에 반사방지막을 소정 두께로 증착하는 단계; 전면에 감광막 마스크 패턴을 형성하여 제2금속배선을 형성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 콘택홀 매립 금속배선 형성 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 장벽 금속막은 티타늄나이트라이드인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 콘택홀 매립 금속배선 형성 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 장벽 금속막은 티타늄나이트라이드와 상기 티타늄나이트라이드 위의 고융점 금속막의 적층구조로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 콘택홀 매립 금속배선 형성 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 고융점 금속막은 티타늄, 몰리브듐, 티타늄텅스텐, 탄탈륨막 중에서 선택적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 콘택홀 매립 금속배선 형성 방법.
  7. 제3항에 있어서, 상기 열처리 단계는 튜브형 로에서 400℃이상의 온도와 10분이상의 시간 동안 진행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 콘택홀 매립 금속배선 형성 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 장벽 금속막은 하부의 티타늄막과 상기 티타늄막 상의 티타늄나이트라이드의 적층구조로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 콘택홀 매립 금속배선 형성 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1, 제2 열처리 단계는 튜브형 로에서 400℃이상의 온도와 10분 이상의 시간동안 진행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 콘택홀 매립 금속배선 형성 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 고융점 금속막은 Ti, TiN, Mo, Co, Ta중에서 서로 다른 재질을 선택하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 콘택홀 매립 금속배선 형성 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 산화막 표면을 노출시키기 위한 식각은 화학 및 기계적 연마법을 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 콘택홀 매립 금속배선 형성 방법.
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