KR100315025B1 - 반도체소자의금속배선형성방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 텅스텐 플러그 형성시 텅스텐막에 대한 접착층의 열처리시 크랙발생을 방지하여 텅스텐막의 비정상적 성장을 방지할 수 있는 반도체 소자의 금속배선 형성방법을 제공한다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 금속배선 형성방법은 도전층 패턴을 구비한 반도체 기판 상에 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 도전층 패턴의 일부가 노출되도록 층간절연막을 식각하여 콘택홀을 형성하는 단계; 상기 콘택홀 표면 및 층간절연막 상에 티타늄막을 형성하는 단계; 상기 티타늄막 상부에 N2개스 플라즈마만을 이용한 스퍼터링 방식으로 티타늄 질화막을 형성하는 단계; 및, 상기 티타늄 질화막이 형성된 기판을 열처리하는 단계를 포함하고, 상기 티타늄 질화막은 다공성 구조로 형성된 것을 특징으로 한다. 본 실시예에서, 스퍼터링의 진행시 순간적으로 스퍼터링 장비의 파워극성을 변경한다. 바람직하게, 스퍼터링 장비의 파워 극성은 스퍼터링 장비의 챔버벽과 서셉터 사이의 바이어스를 조절하여 변경한다. 또한, 열처리는 급속열처리방식으로 진행한다.

Description

반도체 소자의 금속배선 형성방법
본 발명은 반도체 소자의 금속배선 형성방법에 관한 것으로, 특히 텅스텐 플러그를 이용한 반도체 소자의 금속배선 형성방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스가 고집적화 됨에 따라, 콘택홀의 크기가 감소되고, 확산영역의 깊이도 얕아지게 됨으로서, 배선의 콘택저항은 증대되고, 접합이 파괴되는 문제가 발생되고 있다. 또한, 디바이스의 미세화는 가로 방향의 길이 축소가 주된 것이기 때문에, 표면 단차의 어스펙트비가 증대한다. 따라서, 알루미늄막의 스퍼터링에 의해 형성되는 금속 배선막의 피복력이 약화되어 배선 단락의 문제를 일으키게 되어, 디바이스의 신뢰성을 저하시킨다.
이에 대하여 종래에는 배선의 저항을 감소시켜 디바이스의 동작 속도를 향상시키면서 어스펙트 비의 증가에 따른 배선 불량을 방지하기 위하여, 콘택홀 내부에 텅스텐과 같은 내화성 금속막을 매립시킨 후 전면식각하여 텅스텐 플러그를 형성하고, 이 플러그를 통하여 상부 배선과 하부 배선이 연결되도록 배선을 형성하였다.
한편, 상기한 바와 같이 배선에 텅스텐 플러그를 적용하는 경우, 텅스텐막의 증착전에 텅스텐막의 접착력을 향상시키기 위한 목적으로 Ar과 N2개스 플라즈마를 이용한 스퍼터링 방식으로 티타늄막(Ti)과 티타늄 질화막(TiN)을 형성한다. 또한, 접착력을 증가시키기 위하여, 티타늄막과 티타늄 질화막의 형성 후 급속열처리공정(Rapid Thermal Processing; RTP)을 진행하는데, 이때 온도의 빠른 변화속도로 인하여 티타늄과 티타늄 질화막에서 스트레스가 발생되어 크랙(crack)이 발생된다. 이에 따라, 이후 텅스텐막의 성장시 크랙 발생위치에서 텅스텐막이 비정상적으로 성장하여 식각시 제거되지 않는 부분이 남게되어, 이후 배선 브리지(bridge)를 유발할 뿐만 아니라, 콘택저항이 커지는 문제가 발생된다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 텅스텐 플러그 형성시 텅스텐막에 대한 접착층의 열처리시 크랙발생을 방지하여 텅스텐막의 비정상적 성장을 방지할 수 있는 반도체 소자의 금속배선 형성방법을 제공함에그 목적이 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 금속배선 형성방법을 설명하기 위한 단면도.
〔도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〕
10 : 반도체 기판 11 : 도전층 패턴
12 : 층간절연막 13 : 콘택홀
14 : 티타늄막 15 : 티타늄 질화막
16 : 텅스텐 플러그
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 소자의 금속배선 형성방법은 도전층 패턴을 구비한 반도체 기판 상에 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 도전층 패턴의 일부가 노출되도록 상기 층간절연막을 식각하여 콘택홀을 형성하는 단계; 상기 콘택홀 표면 및 층간절연막 상에 티타늄막을 형성하는 단계; 상기 티타늄막 상부에 N2개스 플라즈마만을 이용한 스퍼터링 방식으로 티타늄 질화막을 형성하는 단계; 및, 상기 티타늄 질화막이 형성된 기판을 열처리하는 단계를 포함하고, 상기 티타늄 질화막은 다공성 구조로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 실시예에서, 스퍼터링의 진행시 순간적으로 스퍼터링 장비의 파워극성을 변경한다. 바람직하게, 스퍼터링 장비의 파워 극성은 스퍼터링 장비의 챔버벽과 서셉터 사이의 바이어스를 조절하여 변경한다. 또한, 열처리는 급속열처리방식으로 진행한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1a 및 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 금속배선 형성방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 도전층 패턴(11), 예컨대 하부금속배선층 또는 불순물 확산영역을 구비한 반도체 기판(10) 상에 층간절연막(12)을 형성한다. 도전층 패턴(11)의 일부가 노출되도록 층간절연막(12)을 식각하여 콘택홀(13)을 형성한다.
도 1b를 참조하면, 콘택홀(13) 표면 및 층간절연막(12) 상에, 이후 형성될 텅스텐막의 접착력을 향상시키기 위하여 티타늄막(14)과 티타늄 질화막(15)의 적층막으로 접착층(100)을 형성한다. 티타늄 질화막(15)은 Ar과 N2개스 플라즈마를 이용한 종래의 스퍼터링 방식과는 달리, N2개스 플라즈마만을 이용한 스퍼터링 방식으로 진행하여 다공성(porous) 구조로 형성된다. 즉, N2개스 플라즈마만을 이용하여 스퍼터링을 진행하여 티타늄 질화막(15)을 형성한 후, 순간적으로 스퍼터링 장비의 파워극성을 변경한다. 즉, 챔버벽(chamber wall)과 서셉터(susceptor) 사이의 바이어스를 조절함으로써 파워극성을 변경한다. 그러면, N2원자가 티타늄 질화막(15)에 데미지(damage)를 입히게 되어, N2원자가 다시 티타늄 질화막(15)으로부터 일탈하게 됨으로써, 티타늄 질화막(15)에 홀(hole)이 발생되어 밀도가 낮은 다공성 구조로 형성된다.
그리고 나서, 티타늄 질화막(15)의 접착력을 증가시키기 위하여, 상기한 바와 같은 티타늄 질화막(15)을 RTP로 열처리한다. 이때, 다공성 구조에 의해 티타늄 질화막(15)에 크랙이 발생되지 않는다. 그런 다음, 티타늄 질화막(15)이 형성된 콘택홀(13)에 매립되도록 텅스텐막을 증착하고 전면식각하여, 도 1c에 도시된 바와 같이, 텅스텐 플러그(16)를 형성한다.
상기한 본 발명에 의하면, 티타늄 질화막을 종래와는 달리 N2개스 플라즈마만을 이용한 스퍼터링 방식으로 형성하여 다공성 구조로 형성함으로써, RTP 진행시 크랙 발생을 억제할 수 있다. 이에 따라, 크랙발생으로 인한, 배선 브리지의 유발을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 콘택저항을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 다양하게 변형시켜 실시할 수 있다.

Claims (4)

  1. 도전층 패턴을 구비한 반도체 기판 상에 층간절연막을 형성하는 단계;
    상기 도전층 패턴의 일부가 노출되도록 상기 층간절연막을 식각하여 콘택홀을 형성하는 단계;
    상기 콘택홀 표면 및 층간절연막 상에 티타늄막을 형성하는 단계;
    상기 티타늄막 상부에 N2개스 플라즈마만을 이용한 스퍼터링 방식으로 티타늄 질화막을 형성하는 단계; 및,
    상기 티타늄 질화막이 형성된 기판을 열처리하는 단계를 포함하고,
    상기 티타늄 질화막은 다공성 구조로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 스퍼터링의 진행시 순간적으로 스퍼터링 장비의 파워극성을 변경하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 스퍼터링 장비의 파워 극성은 상기 스퍼터링 장비의 챔버벽과 서셉터 사이의 바이어스를 조절하여 변경하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 열처리는 급속열처리방식으로 진행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
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