KR100361209B1 - 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법에 관한 것으로, 소정의 공정을 통해 구리 배선을 형성하고, 선택적 알루미늄 CVD 방법에 의해 구리 배선 상부에만 알루미늄막을 형성한 후 산소 분위기의 고온 열공정에 의해 알루미늄막을 산화시켜 알루미늄 산화막을 형성하거나, 고온의 환원성 가스 분위기에서 TMA 가스를 이용한 열처리 공정 또는 Al₂Cl₆플라즈마를 사용하여 구리 배선의 표면에만 알루미늄막을 형성한 후 고온 열처리 공정을 실시하여 알루미늄층을 산화시켜 알루미늄 산화막을 형성함으로써 구리 배선의 산화를 방지하여 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법이 제시된다.

Description

반도체 소자의 구리 배선 형성 방법{Method of forming a copper wiring in a semiconductor device}

본 발명은 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법에 관한 것으로, 특히 구리 배선 표면을 알루미늄 산화막으로 보호함으로써 구리 배선의 산화를 방지할 수 있는 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법에 관한 것이다.

반도체 소자의 집적도가 증가함에 따라 반도체 기판과 금속간의 상호 연결 또는 하부층 금속 배선과 상부층 금속 배선의 연결이 빈번해 지고, 콘택홀 또는 비아홀 또한 점차 깊고 작은 형태를 보이고 있다. 특히 0.1㎛ 이하의 디자인 룰을 갖는 GIGA급 DRAM 소자의 경우 소자간의 전기적 연결 및 신뢰성 측면에서 현재 반도체 소자의 금속 배선 재료로 사용되고 있는 알루미늄 배선은 EM/SM 특성 저하 및 높은 비저항에 의해 더이상 사용이 어렵게 되었다.

이에 따라 구리 금속 배선을 이용하려는 연구가 진행되고 있지만, 구리 박막이 갖는 고유 특성으로 인해 알루미늄 배선과는 다른 공정상의 보완이 필요하게 되는데, 다음과 같은 것이 있다. 효과적으로 구리 박막을 증착하기 위한 금속 유기 소오스(metal organic source)를 개발해야 하고, 구리 박막과 할로겐족 기체와의 낮은 반응성으로 인한 식각상의 어려움이 있으며, 구리 원자의 크기가 작아 다른 절연막으로 확산이 쉽고, 구리 원자와 산소등 물질과의 용이한 반응성으로 인한 포러스(popus)한 구리 산화막의 형성등 많은 문제점이 있다.

이와 같이 구리 배선은 산화에 매우 취약하고 산화시 형성되는 구리 산화물은 매우 포러스한 특성을 보이기 때문에 이를 효과적으로 보호하기 위한 구리 표면층에 대한 인캡슐레이션(encapsulation) 공정 방법에 관한 연구가 매우 필요로 하지만 아직까지 이러한 방법에 대한 연구는 충분히 이루어지지 않은 실정이다.

따라서, 본 발명은 구리 배선의 표면을 보호하여 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있는 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 실시 예는 소정의 구조가 형성된 반도체 기판 상부에 층간 절연막을 형성한 후 다마신 공정을 통해 층간 절연막의 소정 영역을 식각하여 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 트렌치를 포함한 전체 구조 상부에 장벽 금속층을 형성하고, 상기 트렌치가 매립되도록 전체 구조 상부에 구리 박막을 형성한 후 연마 공정을 실시하여 구리 배선을 형성하는 단계와, 선택적 알루미늄 CVD 방법에 의해 상기 구리 배선 상부에만 선택적으로 알루미늄막을 형성하는 단계와, 산소 분위기에서 고온 열처리 공정을 실시하여 상기 알루미늄막을 산화시켜 알루미늄 산화막을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 실시 예는 소정의 구조가 형성된 반도체 기판 상부에 층간 절연막을 형성한 후 다마신 공정을 통해 상기 층간 절연막의 소정 영역을 식각하여 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 트렌치를 포함한 전체 구조 상부에 장벽 금속층을 형성하고, 상기 트렌치가 매립되도록 전체 구조 상부에 구리 박막을 형성한 후 연마 공정을 실시하여 구리 배선을 형성하는 단계와,고온의 환원성 가스 분위기에서 TMA 가스를 이용한 열처리 공정 또는 Al₂Cl₆플라즈마를 사용하여 상기 구리 배선의 표면에만 알루미늄막을 형성하는 단계와, 고온 열처리 공정을 실시하여 상기 알루미늄층을 산화시켜 상기 구리 배선의 표면에만 알루미늄 산화막을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

도 1(a) 내지 도 1(c)는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 소자의 단면도.

도 2(a) 내지 도 2(c)는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 소자의 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 및 21 : 반도체 기판 12 및 22 : 층간 절연막

13 및 23 : 장벽 금속층 14 및 24 : 구리 배선

15 및 25 : 알루미늄막 16 및 26 : 알루미늄 산화막

첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1(a) 내지 도 1(c)는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 소자의 단면도이다.

도 1(a)를 참조하면, 소정의 구조가 형성된 반도체 기판(11) 상부에 층간 절연막(12)을 형성한다. 다마신 공정을 통해 층간 절연막(12)의 소정 영역을 식각하여 트렌치를 형성한다. 트렌치를 포함한 전체 구조 상부에 장벽 금속층(13)을 형성한다. 트렌치가 매립되도록 전체 구조 상부에 구리 박막을 형성한 후 연마 공정을 실시하여 구리 배선(14)을 형성한다.

도 1(b)는 선택적 알루미늄 CVD 방법에 의해 구리 배선(14) 상부에만 선택적으로 알루미늄막(15)을 형성한 상태의 단면도이다. 선택적 알루미늄 CVD 방법을 실시하면 구리 배선(14) 상부에만 알루미늄막(15)이 증착되고, 층간 절연막(12) 상부에는 알루미늄막(15)이 증착되지 않는다.

도 1(c)는 산소 분위기에서 고온 열처리 공정을 실시하여 구리 배선(14) 상부에만 형성된 알루미늄막(15)을 산화시켜 알루미늄 산화막(16)을 형성한 상태의 단면도이다. 고온 열처리 공정은 산소 분위기에서 퍼니스 처리 또는 RTA 처리를 실시하며, 이때의 온도는 400∼700℃이다.

도 2(a) 내지 도 2(c)는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 소자의 단면도이다.

도 2(a)를 참조하면, 소정의 구조가 형성된 반도체 기판(21) 상부에 층간 절연막(22)을 형성한다. 다마신 공정을 통해 층간 절연막(22)의 소정 영역을 식각하여 트렌치를 형성한다. 트렌치를 포함한 전체 구조 상부에 장벽 금속층(23)을 형성한다. 트렌치가 매립되도록 전체 구조 상부에 구리 박막을 형성한 후 연마 공정을 실시하여 구리 배선(24)을 형성한다.

도 2(b)는 고온의 환원성 가스 분위기에서 TMA{Al(CH₃)₃} 가스를 이용한 열처리 공정 또는 Al₂Cl₆플라즈마를 사용하여 구리 배선(24) 표면에서 구리와 알루미늄간의 선택적 반응을 유도하여 알루미늄층(25)을 형성한 상태의 단면도이다. TMA 가스를 이용한 열처리 공정은 10∼100Torr의 압력, 300∼1000℃의 온도 및 수소 또는 헬륨 가스의 분위기에서 RTP, RTA, 퍼니스 어닐 공정중 어느 하나의 공정으로 실시한다.

도 2(c)는 상압, 300∼1000℃에서 열처리 공정을 실시하여 알루미늄층(25)을 산화시켜 구리 배선(24)의 표면에만 내산화성이 우수한 알루미늄 산화막(26)을 형성한 상태의 단면도이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 구리 박막의 표면층에 알루미늄 산화막을 형성하여 구리 배선의 산화를 효과적으로 방지할 수 있어 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 소정의 구조가 형성된 반도체 기판 상부에 층간 절연막을 형성한 후 다마신공정을 통해 상기 층간 절연막의 소정 영역을 식각하여 트렌치를 형성하는 단계와,

   상기 트렌치를 포함한 전체 구조 상부에 장벽 금속층을 형성하고, 상기 트렌치가 매립되도록 전체 구조 상부에 구리 박막을 형성한 후 연마 공정을 실시하여 구리 배선을 형성하는 단계와,

   고온의 환원성 가스 분위기에서 TMA 가스를 이용한 열처리 공정을 실시하여 상기 구리 배선의 표면에만 알루미늄막을 형성하는 단계와,

   고온 열처리 공정을 실시하여 상기 알루미늄층을 산화시켜 상기 구리 배선의 표면에만 알루미늄 산화막을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 TMA 가스를 이용한 열처리 공정은 10 내지 100Torr의 압력, 300 내지 1000℃의 온도와 수소 또는 헬륨 가스의 분위기에서 RTP, RTA, 퍼니스 어닐 공정중 어느 하나의 공정으로 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 알루미늄 산화막을 형성하기 위한 고온 열처리 공정은 상압 및 300 내지 1000℃의 온도에서 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법.
6. 소정의 구조가 형성된 반도체 기판 상부에 층간 절연막을 형성한 후 다마신 공정을 통해 상기 층간 절연막의 소정 영역을 식각하여 트렌치를 형성하는 단계와,

   상기 트렌치를 포함한 전체 구조 상부에 장벽 금속층을 형성하고, 상기 트렌치가 매립되도록 전체 구조 상부에 구리 박막을 형성한 후 연마 공정을 실시하여 구리 배선을 형성하는 단계와,

   Al₂Cl₆플라즈마를 사용하여 상기 구리 배선의 표면에만 알루미늄막을 형성하는 단계와,

   고온 열처리 공정을 실시하여 상기 알루미늄층을 산화시켜 상기 구리 배선의 표면에만 알루미늄 산화막을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법.