KR100333712B1 - 반도체 소자의 상감형 금속배선 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히 반도체 소자 제조 공정 중 금속배선 형성 공정에 관한 것이며, 더 자세히는 구리를 사용한 상감형(damascene type) 금속배선 형성 공정에 관한 것이다. 본 발명은 구리를 배선 금속으로 사용하는 대머신 금속배선 공정시 씨드층의 층덮힘을 개선하고, 후속 전기도금법에 의한 구리의 배향성과 접착력을 개선할 수 있는 반도체 소자의 상감형 금속배선 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명은 1차로 물리기상증착법을 사용한 구리막을 얇게 증착하고, 2차로 화학기상증착법을 사용하여 씨드층을 형성한 다음, 3차로 전기도금법을 사용하여 주배선용 구리를 증착하는 기술이다. 이 경우, 물리기상증착법에 의한 구리가 후속 전기도금법에 의한 구리의 배향성 및 접착력을 증가시키고, 화학기상증착법에 의한 씨드층의 층덮힘 특성을 개선할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히 반도체 소자 제조 공정 중 금속배선 형성 공정에 관한 것이며, 더 자세히는 구리를 사용한 상감형(damascene type) 금속배선 형성 공정에 관한 것이다.
반도체 소자의 고집적화에 따라 디자인 룰(design rule)의 축소가 가속되고 있으며, 이에 따라 금속배선의 피치(pitch)가 줄어들고 있어 통상적인 금속배선 공정을 적용할 경우에는 고단차비를 가지는 금속배선의 형성시 금속배선의 CD(critical dimension) 균일도(uniformity), 라인 식각 프로파일(line etch profile) 및 포토레지스트의 식각 선택비 등에서 만족할만한 결과를 얻기 힘들게 되었다. 이를 개선하기 위해서는 하드 마스크(hard mask) 등을 사용하여야 하며, 이에 따른 제조비용의 증가와 소자 개발 일정의 지연이라는 문제점이 도출된다.
한편, 상감형 금속배선 공정은 상기의 문제점을 해결할 수 있는 기술로 차세대 초고집적 소자에 적용이 유망하다.
상감형 금속배선 공정은 통상 층간절연막에 라인용 트렌치 및 콘택홀을 형성하고, 베리어 금속과 배선 금속을 증착한 후 화학·기계적 평탄화(chemical mechanical planarization, CMP) 기술을 이용하여 층간절연막 상부에 있는 베리어 금속 및 배선 금속을 제거하는 과정을 거치고 있다.
배선 금속으로 구리를 사용하는 경우, 종래에는 주로 물리기상증착법과 전기도금법을 사용하여 구리배선을 형성하였다. 즉, 물리기상증착법으로 씨드(seed)층을 형성하고 전기도금법으로 라인용 트렌치 및 콘택을 매립하는 방식을 사용하였다.
그러나, 이와 같은 종래기술은 물리기상증착법에 의한 씨드층의 층덮힘이 불량하여 전기도금법에 의한 구리를 증착할 때 콘택이나 라인용 트렌치 내에 보이드(void)가 형성되어 배선의 신뢰도에 심각한 문제를 야기한다.
이러한 문제점을 고려하여 화학기상증착법으로 씨드층을 형성하는 경우, 씨드층의 층덮힘은 어느 정도 개선되나, 이후 전기도금법에 의해 증착된 구리의 배향성이 불량하고 씨드층과 접착력이 불량하여 증착된 구리 박막의 박리를 야기하는 문제를 일으킨다.
본 발명은 구리를 배선 금속으로 사용하는 대머신 금속배선 공정시 씨드층의 층덮힘을 개선하고, 후속 전기도금법에 의한 구리의 배향성과 접착력을 개선할 수 있는 반도체 소자의 상감형 금속배선 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 대머신 금속배선 형성 공정도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 하부 금속배선 2 : 층간절연막
3 : 금속 산화물 4 : 장벽 금속막
5 : 구리막 6 : 구리 씨드층
7 : 주 배선용 구리막
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 특징적인 반도체 소자의 상감형 금속배선 형성방법은, 소정의 하부 도전층을 포함하는 하부 구조 상에 층간절연막을 형성하는 제1 단계; 상기 층간절연막을 패터닝하여 콘택홀 및 라인용 트렌치를 형성하는 제2 단계; 상기 제2 단계를 마친 전체구조 표면을 따라 물리기상증착 방식을 사용하여 제1 구리층을 증착하는 제3 단계; 화학기상증착 방식을 사용하여 상기 제1 구리층의 표면을 따라 씨드층용 제2 구리층을 증착하는 제4 단계; 전기도금 방식을 사용하여 상기 제2 구리층 상에 주 배선용 제3 구리층을 형성하는 제5 단계; 및 상기 층간절연막이 노출될 정도로 상기 제3 구리층, 상기 제2 구리층및 상기 제1 구리층을 리세싱하는 제6 단계를 포함하여 이루어진다.
즉, 본 발명은 1차로 물리기상증착법을 사용한 구리막을 얇게 증착하고, 2차로 화학기상증착법을 사용하여 씨드층을 형성한 다음, 3차로 전기도금법을 사용하여 주배선용 구리를 증착하는 기술이다. 이 경우, 물리기상증착법에 의한 구리가 후속 전기도금법에 의한 구리의 배향성 및 접착력을 증가시키고, 화학기상증착법에 의한 씨드층의 층덮힘 특성을 개선할 수 있다.
이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.
첨부된 도면 도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 대머신 금속배선 형성 공정을 도시한 것으로, 이하 이를 참조하여 설명한다.
본 실시예에 따른 공정은 우선, 도 1에 도시된 바와 같이 층간절연막(2)을 식각하여 하부 금속배선(1)을 노출시키는 콘택홀과 라인용 트렌치를 형성한다. 이때, 노출된 하부 금속배선(1) 표면에는 금속 산화물(3)이 형성되어 있다.
다음으로, 도 2에 도시된 바와 같이 하부 금속배선(1) 표면에 형성된 금속 산화물(3)을 수소 또는 헬륨 가스에 아르곤 가스를 첨가한 혼합가스를 사용하여 제거하고, 진공의 파괴없이 전체구조 표면을 따라 물리기상증착법을 사용하여 장벽 금속막(4)을 증착한다.
계속하여, 도 3에 도시된 바와 같이 전체구조 표면을 따라 물리기상증착법을사용하여 200Å 이하의 구리막(5)을 증착하고, 전체구조 표면을 따라 화학기상증착법을 사용하여 구리 씨드층(6)을 증착한다. 이때, 구리 씨드층(6)이 콘택홀 측벽에서 100∼200Å의 층덮힘을 얻을 수 있을 정도로 증착한다.
이어서, 도 4에 도시된 바와 같이 전기도금법을 사용하여 전체구조 상부에 주 배선용 구리막(7)을 증착하고, 25∼350℃ 온도에서 열처리를 실시한다. 이때, 열처리는 진공 상태 또는 수소 분위기 또는 수소/질소 분위기 또는 수소/아르곤 분위기에서 실시한다.
다음으로, 도 5에 도시된 바와 같이 화학·기계적 평탄화(CMP) 공정을 실시하여 층간절연막(2)이 노출될 정도로 주 배선용 구리막(7), 구리 씨드층(6), 구리막(5) 및 장벽 금속막(4)를 연마하여 금속배선 공정을 완료한다.
상기와 같은 공정을 진행하는 경우, 물리기상증착 방식의 구리막(5)은 콘택홀 하부에는 충분한 층덮힘을 얻을수 없으나, 나머지 부분에서는 충분한 층덮힘을 가질수 있게 되어 접착력 및 배향성을 확보하고, 이후 증착되는 화학기상증착 방식의 구리 씨드층(6)은 콘택홀 및 트렌치 내부에 균일하고 양호한 층덮힘을 얻을 수 있게 된다. 이에 따라 전기도금 방식의 주 배선용 구리막(7) 증착시 콘택홀 및 트렌치 내부에 보이드가 형성되는 것을 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
예컨대, 전술한 실시예에서와 같은 방식으로 구리막을 증착하되, 화학기상증착 방식의 구리층을 증착할 때 그 증착 두께를 증가시켜 콘택홀 및 트렌치가 매립되도록 한 상태에서 간단한 전기도금법으로 평탄화된 구리막을 형성하는 경우에도 본 발명은 적용된다.
전술한 본 발명은 물리기상증착 방식의 구리막을 통해 하지층과의 접착력과 구리막의 배향성을 확보하여 금속배선의 박리 현상을 방지하는 효과가 있으며, 화학기상증착 방식의 구리 씨드층을 적용하여 후속 전기도금 방식의 주 배선용 구리막 증착시 층덮힘을 개선하여 금속배선의 신뢰도를 향상시키는 효과를 기대할 수 있다.
Claims (9)
- 소정의 하부 도전층을 포함하는 하부 구조 상에 층간절연막을 형성하는 제1 단계;상기 층간절연막을 패터닝하여 콘택홀 및 라인용 트렌치를 형성하는 제2 단계;상기 제2 단계를 마친 전체구조 표면을 따라 물리기상증착 방식을 사용하여 제1 구리층을 증착하는 제3 단계;화학기상증착 방식을 사용하여 상기 제1 구리층의 표면을 따라 씨드층용 제2 구리층을 증착하는 제4 단계;전기도금 방식을 사용하여 상기 제2 구리층 상에 주 배선용 제3 구리층을 형성하는 제5 단계; 및상기 층간절연막이 노출될 정도로 상기 제3 구리층, 상기 제2 구리층 및 상기 제1 구리층을 리세싱하는 제6 단계를 포함하여 이루어진 반도체 소자의 상감형 금속배선 형성방법.
- 제1항에 있어서,상기 제6 단계 수행 후,25∼350℃의 온도에서 열처리를 실시하는 제7 단계를 더 포함하여 이루어진것을 특징으로 하는 반도체 소자의 상감형 금속배선 형성방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,,상기 제2 단계 수행 후 노출된 상기 하부 도전층에 형성된 자연산화물을 제거하는 제8 단계와,상기 제8 단계 수행 후, 전체구조 표면을 따라 장벽 금속막을 형성하는 제9 단계를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 상감형 금속배선 형성방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 제1 구리층이,200Å 이하의 두께로 증착되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 상감형 금속배선 형성방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 제2 구리층이,상기 콘택홀 측벽에 100∼200Å 두께로 증착되는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 상감형 금속배선 형성방법.
- 제2항에 있어서,상기 열처리가,진공 상태, 수소 분위기, 수소/질소 분위기, 수소/아르곤 분위기 중 어느 하나의 분위기에서 실시되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 상감형 금속배선 형성방법.
- 제3항에 있어서,수소 또는 헬륨에 아르곤 가스가 첨가된 혼합 가스를 사용하여 상기 자연산화물을 제거하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 상감형 금속배선 형성방법.
- 소정의 하부 도전층을 포함하는 하부 구조 상에 층간절연막을 형성하는 제1 단계;상기 층간절연막을 패터닝하여 콘택홀 및 라인용 트렌치를 형성하는 제2 단계;상기 제2 단계를 마친 전체구조 표면을 따라 물리기상증착 방식을 사용하여 제1 구리층을 증착하는 제3 단계;상기 제3 단계를 마친 전체 구조 상부에 화학기상증착 방식을 사용하여 제2 구리층을 증착하여 상기 콘택홀 및 라인용 트렌치가 매립되도록 하는 제4 단계;전기도금 방식을 사용하여 상기 제2 구리층 상에 평탄화된 제3 구리층을 형성하는 제5 단계; 및상기 층간절연막이 노출될 정도로 상기 제3 구리층, 상기 제2 구리층 및 상기 제1 구리층을 리세싱하는 제6 단계를 포함하여 이루어진 반도체 소자의 상감형 금속배선 형성방법.
- 제1항 또는 제8항에 있어서,화학·기계적 평탄화 기술을 사용하여 상기 제3 구리층, 상기 제2 구리층 및 상기 제1 구리층을 리세싱하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 상감형 금속배선 형성방법.
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