KR100290786B1 - 반도체 소자의 금속배선 형성방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 개시한다. 개시된 본 발명은, 절연막(1)상에 하부 장벽 금속막(2), 구리 재질의 금속 배선막(3), 상부 장벽 금속막(4), 및 평탄화막(5)을 순차적으로 형성한다. 포토레지스트(6)를 평탄화막(5)상에 도포하고, 포토레지스트(6)를 소정의 패턴으로 형성한다. 패터닝된 포토레지스트(6)를 마스크로 하여 평탄화막(5)을 식각하여, 평탄화막(5)을 소정의 패턴으로 형성한다. 250℃ 이상의 온도에서 패터닝된 평탄화막(5)을 마스크로 하여 상하부 장벽 금속막(2,4)과 구리 배선막(3)을 식각하고, 이어서 구리 배선막(3)의 측벽을 식각 가스에 미량의 산소 원자를 첨가하여 과도 식각한다. 그러면, 식각 가스와 절연막(1)의 산소 및 질소 원자가 구리와 반응하게 되어, 구리 배선막(3) 측벽에 실리콘 질화산화막인 보호막(7)이 형성된다. 700 내지 900℃의 온도에서 평탄화막(5)을 리플로우시켜, 평탄화막(5)으로 구리 배선막(3)의 전체를 둘러싸도록 한다.

Description

반도체 소자의 금속 배선 형성 방법
본 발명은 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 구리를 금속 배선으로 형성하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 소자를 제조하는 방법에서, 소자와 소자간 또는 배선과 배선간을 전기적으로 상호 연결시키기 위해서, 금속 배선막이 사용되고 있다.
금속 배선막의 재질로는 알루미늄이 주로 사용되었는데, 알루미늄은 융점이 낮고 비저항이 매우 높다. 이로 인하여, 신호 전달이 지연되고 또한 일렉트로마이그레이션(electromigration) 현상이 발생되는 문제점이 있었다.
그래서, 알루미늄은 차세대 초고집적 반도체 소자의 금속 배선으로 사용하기에는 많은 문제점이 있어서, 최근에는 금속들 중 전도성이 가장 우수한 구리가 알루미늄을 대체할 금속 배선으로 각광받고 있고, 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 추세이다.
하지만, 구리는 전도성이 매우 우수한 장점이 있지만, 원자 크기가 매우 작고 다른 금속과의 화학적인 친화도가 큰 단점이 있다. 이로 인하여, 금속 배선을 형성한 다음의 후속 열공정에서, 매우 작은 크기의 구리 원자가 절연막으로 침투하여 소자의 전기적 특성을 저하시키는 문제점이 발생되었다.
따라서, 본 발명은 종래의 구리 재질의 금속 배선 형성 방법이 안고 있는 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 구리 원자가 절연막으로 침투하지 못하도록 하여, 소자의 전기적 특성 저하를 방지할 수 있는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 제공하는데 목적이 있다.
도 1 내지 도 5는 본 발명에 따른 금속 배선 형성 방법을 순차적으로 나타낸 도면
- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -
1 ; 절연막 2 ; 하부 장벽 금속막
3 ; 구리 배선막 4 ; 상부 장벽 금속막
5 ; 평탄화막 6 ; 포토레지스트
7 ; 보호막
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 금속 배선 형성 방법은 다음과 같다.
절연막상에 하부 장벽 금속막, 구리 재질의 금속 배선막, 상부 장벽 금속막, 및 평탄화막을 순차적으로 형성한다. 포토레지스트를 평탄화막상에 도포하고, 포토레지스트를 소정의 패턴으로 형성한다. 패터닝된 포토레지스트를 마스크로 하여 평탄화막을 식각하여, 평탄화막을 소정의 패턴으로 형성한다. 250℃ 이상의 온도에서 패터닝된 평탄화막을 마스크로 하여 상하부 장벽 금속막과 구리 배선막을 식각하고, 이어서 구리 배선막의 측벽을 식각 가스에 산소 원자를 첨가하여 과도 식각한다. 그러면, 식각 가스와 절연막의 산소 및 질소 원자가 구리와 반응하게 되어, 구리 배선막 측벽에 실리콘 질화산화막인 보호막이 형성된다. 700 내지 900℃의 온도에서 평탄화막을 리플로우시켜, 평탄화막으로 구리 배선막의 전체를 둘러싸도록 한다.
상기된 본 발명의 구성에 의하면, 구리 배선막의 양측이 보호막으로 보호됨과 아울러 전체가 평탄화막으로 둘러싸이게 되므로써, 구리 원자가 절연막으로 침투하는 것이 억제된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 설명한다.
도 1 내지 도 5는 본 발명에 따른 금속 배선 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 절연막(1)상에 하부 장벽 금속막(2)을 형성하고, 구리 재질의 금속 배선막(3)을 하부 장벽 금속막(2)상에 증착한다. 구리 배선막(3)상에 다시 상부 장벽 금속막(4)을 형성하고, 평탄화를 위한 BPSG, SOG, PSG, BSG 중의 하나인 평탄화막(5)을 상부 장벽 금속막(4)상에 형성한다. 상하부 장벽 금속막(2,4)의 재질로는 티타늄질화막(TiN), 티타늄텅스텐(TiW), 티타늄(Ti), 탄탈늄질화막(TaN) 또는 텅스텐질화막(WN) 중에 어느 하나가 선택된다.
이어서, 포토레지스트(6)를 평탄화막(5)상에 도포하고, 도 2와 같이 리소그래피 공정을 통해 포토레지스트(6)를 소정의 패턴으로 형성한다. 패터닝된 포토레지스트(6)를 마스크로 하여 평탄화막(5)을 식각하여, 도 3와 같이 평탄화막(5)를 미세 패턴화한다.
그런 다음, 패터닝된 평탄화막(5)을 하드 마스크로 하여 상하부 장벽 금속막(2,4)과 구리 배선막(3)을 식각한다. 식각 가스로는 SiCl4와 N2가 사용될 수 있다. 이어서, 상기된 식각 가스에 미량의 산소 원자를 첨가하여 상하부 장벽 금속막(2,4)과 구리 배선막(3)을 과도 식각하여, 구리 배선막(3)의 양측이 패터닝된 평탄화막(5)의 안쪽에 위치하도록 한다. 한편, 상기와 같은 2번의 식각 공정은 250℃ 이상의 온도에서 실시한다.
이때, 식각 가스에 첨가된 산소 원자와 식각 작용시, 절연막(1)으로 주로 사용되는 실리콘 산화막과 질화막에서 발생된 산소 및 질소 원자는, 다시 절연막(1)에 반응하거나 평탄화막(5)에 반응할 수가 없으므로, 구리 배선막(3)의 구리 원자와 반응하게 되므로써, 도 4와 같이 구리 배선막(3)의 양측벽에 실리콘 질화산화막(SiON)인 보호막(7)이 형성된다.
마지막으로, BPSG인 평탄화막(5)을 700 내지 900℃ 정도의 온도에서 리플로우시키면, 도 5와 같이 평탄화막(5)이 구리 배선막(3) 전체를 둘러싸게 된다.
상기된 방법으로 구리 배선막(3)을 형성하게 되면, 구리 배선막(3)의 하부는 하부 장벽 금속막(2)에 의해, 상부는 상부 장벽 금속막(4)에 의해, 양측은 보호막(7)에 의해, 전체는 리플로우된 평탄화막(5)에 의해 겹겹이 둘러싸게 된다. 따라서, 매우 작은 크기의 구리 원자가 절연막으로 침투하는 것이 억제된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 구리 배선막의 상하부와 양측 그리고 전체가 여러 막들로 겹겹이 둘러싸이게 되므로써, 구리 원자가 절연막으로 침투하여 소자의 전기적 특성을 저하시키는 것이 방지된다.
이와 같이 본 발명에 따른 구리 금속 배선 형성 방법은, 종래의 구리를 이용한 금속 배선 방법이 안고 있는 문제점을 확실하게 해소하므로써, 초고집적 반도체 소자의 금속 배선에 적용될 수가 있다.
이상에서는 본 발명에 의한 금속 배선 형성 방법을 실시하기 위한 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

Claims (7)

  1. 절연막상에 하부 장벽 금속막, 구리 배선막, 상부 장벽 금속막, 및 평탄화막을 순차적으로 형성하는 단계;
    상기 평탄화막상에 패터닝된 포토레지스트를 형성하고, 상기 포토레지스트를 마스크로 하여 상기 평탄화막을 식각하여 패터닝하는 단계;
    상기 패터닝된 평탄화막을 마스크로 하여 상기 상하부 장벽 금속막과 구리 배선막을 식각하는 단계;
    상기 패터닝된 평탄화막을 마스크로 식각 가스에 산소 원자를 첨가하여 상기 상하부 장벽 금속막과 구리 배선막의 양측벽을 과도 식각하여, 상기 식각 가스와 절연막에서 발생된 산소 원자들이 상기 구리 배선막의 구리 원자와 반응하는 것에 의해, 상기 구리 배선막의 양측벽에 보호막을 형성하는 단계; 및
    상기 평탄화막을 소정의 온도에서 리플로우시켜, 상기 평탄화막으로 상기 구리 배선막 전체를 둘러싸게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 평탄화막은 BPSG, SOG, PSG, BSG인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 BPSG막을 700 내지 900℃의 온도에서 리플로우시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 두 번의 식각 공정은 250℃ 내지 500℃의 온도에서 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 두 번의 식각 공정에 사용되는 식각 가스는 SiCl4와 N2인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 상하부 장벽 금속막의 재질은 티타늄질화막, 티타늄텅스텐, 티타늄, 탄탈늄질화막 또는 텅스텐질화막 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 보호막은 실리콘 질화산화막인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
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